FRAUNHOFER IPM
2014 / 2015
www.ipm.fraunhofer.de
MESSEN · KONTROLLIEREN · OPTIMIEREN
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHYSIKALISCHE MESSTECHNIK IPM
Messen · Kontrollieren · Optimieren
2014
2015
FRAUNHOFER IPM
Messen · Kontrollieren · Optimieren
Titelbild Fraunhofer IPM entwickelt
nicht nur integrierte Sensoren und mikrosystemtechnische Bauteile, sondern auch
Messverfahren zur Fertigungskontrolle.
GESCHÄFTSFELDER
EDITORIAL
»Schneller und genauer messen
... für mehr Effizienz«
Sehr geehrte Kunden,
sehr geehrte Partner,
und warum wir so erfolgreich sind, obwohl
die von uns erstellten Systeme pro Stück oft
100 000 Euro oder mehr kosten und auf dem
PRODUKTIONSKONTROLLE
MATERIALCHARAKTERISIERUNG UND -PRÜFUNG
OBJEKT- UND FORMERFASSUNG
GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE
eine immer bessere »Ressourceneffizienz«, das
Markt der Test- und Messtechnik Weltkonzer-
ist heute eine zentrale gesellschaftliche Aufgabe.
ne mit unglaublich großen Angebotspaletten
Gemeint ist damit nicht nur höhere Energieeffi-
aktiv sind. Für unseren Erfolg gibt es zwei gute
zienz, sondern vor allem auch höhere Rohstoff-
Gründe: Zum einen entwickeln und fertigen
effizienz. Gleichzeitig steigen unsere Ansprüche,
wir einzelne und auf spezielle Anwendungen
unsere technischen Möglichkeiten und damit der
abgestimmte Spezialsysteme, die es sonst nicht
grundsätzliche Ressourcenbedarf – denken wir
gäbe. Zum anderen wurde in der Diskussion mit
z. B. nur an die Medizintechnik oder den Trans-
unseren Kuratoren deutlich, dass unsere Systeme
port. Hier und in vielen anderen Branchen gelingt
Weltrekorde in Bezug auf Geschwindigkeit und
es Fraunhofer IPM, einen wesentlichen Beitrag zu
Genauigkeit setzen. In der digital-holographi-
leisten, damit unterm Strich die Effizienz gewinnt.
schen 3D-Messtechnik nehmen unsere Anlagen
mittlerweile mehr als 10 Millionen 3D-Punkte pro
FUNKTIONELLE MATERIALIEN UND SYSTEME
Unsere Mission: Ressourceneffizienz
Sekunde auf, und die Laserscanner erreichen Ge-
erhöhen
nauigkeiten im Sub-Zehntel-Millimeter-Bereich,
Mithilfe unserer Messsysteme werden Fer-
um nur zwei Beispiele zu nennen.
tigungsprozesse mit hohem Durchsatz zu
100 % überwacht, Fehler vermieden und die
Unser Ziel: Kunden, die gerne wieder-
Produktivität erhöht. Unsere Systeme helfen,
kommen
Emissionen zu erkennen und zu verringern.
Solche Alleinstellungsmerkmale haben dazu
Und unsere Kompetenz auf dem Gebiet
geführt, dass Fraunhofer IPM sich weiter sehr
funktioneller Materialien hilft dabei, Abwärme
gut entwickelt hat. Kunden haben – begeistert
zu recyceln. Ressourceneffizienz spart Geld
von der Leistungsfähigkeit unserer Systeme und
und vergrößert unternehmerische Gewinne.
Entwicklungen – weitere Aufträge platziert und
In unserer Marktwirtschaft ist das der richtige
neue Kunden wurden gewonnen, die nach oft
Anreiz, damit Technik sich durchsetzt. Die von
jahrelanger und ergebnisloser Suche nach geeig-
Fraunhofer IPM gebauten Messsysteme amorti-
neten Messsystemen schließlich bei uns fündig
sieren sich oft innerhalb kurzer Zeit, reduzieren
geworden sind. Wir freuen uns stets über Ihre
Risiken für Betriebe und sichern Arbeitsplätze.
Anfragen und neue Herausforderungen!
Dies durften wir in den vergangenen Monaten
wieder mehrfach hautnah miterleben.
Viel Freude beim Lesen dieses Berichts und einen
anregenden Austausch mit Fraunhofer IPM
Unser Anspruch: schneller messen und
wünscht Ihnen
genauer
Prof. Dr. Karsten Buse,
Institutsleiter
4
Bei der Sitzung unseres Kuratoriums kam die
Ihr
Frage auf, wodurch sich die Entwicklungen von
Fraunhofer IPM im Wettbewerb auszeichnen,
5
SICHERHEIT IN DER LEBENSMITTELPRODUKTION
Die Nachfrage nach qualitativ hochwertigem Stockfisch
steigt weltweit – besonders in Südeuropa. Um den größer werdenden Bedarf an dieser Spezialität abdecken zu
können, wandelt sich die Stockfisch-Produktion derzeit
vom Wikinger-Handwerk zur Hightech-Produktion.
Halbleiter-Gassensoren von Fraunhofer IPM spielen
dabei eine zentrale Rolle.
INHALTSVERZEICHNIS
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5
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ZERSTÖRUNGSFREIE MEHRSCHICHTANALYSE
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22
24
Editorial
Magazin
Lehrstühle in Freiburg und Kaiserslautern
Betriebshaushalt I Personal
Kuratorium
Organisation I Ansprechpartner
PRODUKTIONSKONTROLLE
Digitale Holographie für die 100-Prozent-Kontrolle
Inline-Mikroskopie für anspruchsvolle Messaufgaben
Die Dicke von Schichten auf nicht-metallischen Substraten kann bisher nur zerstörend oder im Kontakt gemessen werden. Mit Terahertz-Wellen, die im Spektrum
zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen liegen, ist eine
zerstörungsfreie Messung möglich: Terahertz-Wellen
werden an Grenzflächen reflektiert, an denen sich
der Brechungsindex ändert.
30
THERMOELEKTRIK IM BLOCKHEIZKRAFTWERK
Blockheizkraftwerke spielen eine wichtige Rolle in der
Energiewende. Fraunhofer IPM entwickelt neuartige
thermoelektrische Generatoren, die den elektrischen
Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit eines
Blockheizkraftwerks weiter erhöhen können.
Mikrostrukturierte Messstrukturen
52
26
28
30
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MATERIALCHARAKTERISIERUNG UND -PRÜFUNG
Schnelle Volumeninspektion mit Terahertz-Wellen
Zerstörungsfreie Mehrschichtanalyse im Sekundentakt
Vielseitig und exakt: der Netzwerkanalysator »Tera-VNA«
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36
OBJEKT- UND FORMERFASSUNG
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GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE
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Exakte Schienenmessung per Laser
Sicherheit in der Lebensmittelproduktion
Messen mit Druck: Stempel vereinfacht Materialmessung
Quantenkaskadenlaser für die schnelle Abgasanalytik
FUNKTIONELLE MATERIALIEN UND SYSTEME
Cool: magnetische Kühlung ohne Kältemittel
Reine Optik: Restabsorption präzise messen
Thermoelektrische Generatoren im Blockheizkraftwerk
Die Fraunhofer-Gesellschaft
Partner I Netzwerke
Publikationen 2014
Messen I Veranstaltungen
Impressum
auf transparenten Substraten.
7
MAGAZIN
Wissenschaftlerinnen bei
Fraunhofer IPM
Fraunhofer TALENTA: Frauen in die angewandte
Forschung
potenzial stärken, meine Gruppe durch die Akquisition
Marie-Luise Bauersfeld ist seit Januar 2015 Leiterin der Grup-
tisch und personell erweitern, internationale Kooperationen
pe »Integrierte Sensorsysteme« am Fraunhofer IPM. Gemein-
und Netzwerke ausbauen, aber auch den wissenschaftli-
sam mit Naturwissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern
chen Nachwuchs durch die Begleitung von Studierenden
arbeitet die promovierte Mikrosystemtechnikerin an der Ent-
als Mentorin unterstützen.« Und worauf möchte sich die
Die Fraunhofer-Gesellschaft veranstaltete im Ok-
wicklung, Konzeptionierung, Charakterisierung und Herstel-
Wissenschaftlerin in Zukunft inhaltlich konzentrieren? »Ich
tober 2014 den viertägigen Wissenschaftscampus
lung funktionaler Oberflächen, miniaturisierter Gassensoren
strebe unter anderem die Weiterentwicklung industrierele-
in Freiburg, um mehr Frauen für die Wissenschaft
und kompakter Gasmesssysteme. Gleichzeitig nimmt Bauers-
vanter Forschungsthemen an. Dazu gehört zum Beispiel
feld seit April 2015 am »TALENTA speed up« teil, einem auf
die Ergänzung unseres Material- und Prozessspektrums um
zwei Jahre angelegten Förder- und Entwicklungsprogramm
ionenleitende und gasochrome Halbleiter sowie hochporöse
für weibliche Führungskräfte der Fraunhofer-Gesellschaft.
Nanostrukturen. Vorhandene Ansätze aus der Gassensorik
WISSENSCHAFTSCAMPUS IN FREIBURG
zu begeistern. Studentinnen der MINT-Fächer
(Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und
2
Technik) konnten an allen fünf Freiburger Fraunho-
öffentlicher, nationaler und internationaler Projekte thema-
TALENTA verschafft Forscherinnen Freiräume für die eigene
gilt es in andere Anwendungsfelder wie die Partikel- oder
fer-Instituten und am benachbarten Institut für Mi-
GIRLS’ DAY: MÄDCHEN-ZUKUNFTSTAG
Karriereentwicklung – durch finanzielle Unterstützung, indivi-
Feuchtemesstechnik zu transferieren. Dabei liegt der Fokus
krosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg
MITMACHEN STATT ZUSCHAUEN
duelle Qualifizierungsangebote, Standort- und Profilreflexion
nicht nur auf der Entwicklung einzelner Komponenten, son-
sowie durch die Möglichkeit zur Vernetzung mit anderen
dern auf ihrer Integration in kompakte Gasmesssysteme. Das
Frauen bei Fraunhofer. Ziel ist es, Mitarbeiterinnen darin zu
TALENTA-Programm unterstützt mich bei dieser Zielsetzung
unterstützen, die eigene Karriere gezielt voranzutreiben.
und ermöglicht mir eine freie Gestaltung meiner Arbeit durch
ken. Fraunhofer IPM richtete unter anderem den
14. Mal lud Fraunhofer IPM Schülerinnen ab der
Für Bauersfeld eröffnen sich durch das Programm viele neue
das individuelle und auf meine Lebens- und Karrierephase
Workshop »Science-to-Business« aus, in dem die
achten Klasse zu einer Tour durch Labore und
Möglichkeiten: »Mit TALENTA kann ich mein Führungs-
ausgelegte Begleitangebot.«
Teilnehmerinnen lernten, wie man wissenschaft-
Werkstätten ein. Dabei konnten die 18 teilneh-
liche Ergebnisse effektiv vermarktet. Der nächste
menden Mädchen natürlich nicht nur zuschauen,
Wissenschaftscampus wird 2015 an Fraunhofer-
sondern auch selbst aktiv werden. Die Wissen-
Standorten im Großraum Köln-Bonn stattfinden.
schaftlerinnen und Wissenschaftler hatten sich
tiefe Einblicke in die Forschung gewinnen und ihre
Am 27. März 2014 war es
persönlichen und fachlichen Kompetenzen stär-
wieder so weit: Schon zum
für ihre Besucherinnen spannende Experimente
ausgedacht, wie etwa: »Feuer und Eis«, ein
thermoelektrischer Versuch, wie man aus Feuer
Strom und aus Strom Eis macht. Unter dem
Motto: »Sag die Wahrheit!« bauten die Mädchen
einen Lügendetektor.
1 + 2 Studentinnen der MINT-Fächer waren zu Besuch
in Freiburg und konnten sich davon überzeugen, wie
1
3 Marie-Luise Bauersfeld leitet
spannend Forschung sein kann.
die Gruppe »Integrierte Sensor3
8
systeme« am Fraunhofer IPM.
9
MAGAZIN
Auszeichnungen
»Hugo-Geiger-Preis« 2014 für Wissenschaftler
von Fraunhofer IPM
3 Fraunhofer-Präsident Reimund
Jens Kießling erhielt für seine Promotionsarbeit den Hugo-
René Beigang (rechts) und
Geiger-Preis 2014. Mit dem Preis werden jährlich drei junge
Thorsten Sprenger (Mitte) den
Wissenschaftler für herausragende Promotionsarbeiten
Joseph-von-Fraunhofer-Preis.
Neugebauer (links) überreicht
ausgezeichnet. Kießling belegte Platz 1. Der junge Physiker
entwickelte und realisierte am benachbarten Lehrstuhl für
Optische Systeme der Uni Freiburg eine durchstimmbare
4 Der Postscanner
Terahertz-Lichtquelle. Mit seiner Arbeit »Nichtlinear-Optische
»T-COGNITION« erkennt
Erzeugung von Dauerstrich-Terahertzwellen« gelang Kießling
Sprengstoff und Drogen in
ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum »Laserlicht
Postsendungen, ohne dass die-
auf Knopfdruck«. Er entwickelte einen neuartigen optisch-
se geöffnet werden müssen.
parametrischen Oszillator, der das Licht eines einfarbigen
Pumplasers in Laserlicht jeder gewünschten Wellenlänge im
Terahertz-Bereich umwandeln kann. Die Erkenntnisse des
3
Nachwuchswissenschaftlers führten – unterstützt durch die
guten Fraunhofer-Industriekontakte – zur Entwicklung eines
2
lator »C-WAVE« steht erstmals eine in der Farbe regelbare
Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2014
für »T-COGNITION«
Brief Sprengstoffe oder Drogen, schlägt das System Alarm.
2 Markus Schindler freut sich über die Auszeich-
Laserlichtquelle für den sichtbaren Spektralbereich zur Verfü-
nung durch den Handwerkskammerpräsidenten
René Beigang von Fraunhofer IPM und Thorsten Sprenger
Kunststoff und Keramik problemlos durchdringen. Dabei sind
gung, ohne dass Komponenten oder Farbstoffe gewechselt
Johannes Ullrich (lnks) und Vizepräsidenten
von der Kasseler Firma Hübner GmbH & Co. KG erhielten
sie nicht ionisierend und für den Menschen somit ungefährlich
werden müssen.
Christof Burger (rechts).
einen der drei Joseph-von-Fraunhofer-Preise 2014. Ausge-
– im Gegensatz zur Röntgenstrahlung. Das macht Terahertz-
zeichnet wurden sie für die Entwicklung des Postscanners
Wellen besonders interessant für Anwendungen, bei denen
»T-COGNITION«, der Gefahrenstoffe in Postsendungen identi-
aufwändige Strahlenschutzvorkehrungen zu teuer oder nicht
fiziert – ohne, dass diese geöffnet werden müssen.
praktikabel sind.
marktreifen Produkts. Mit dem optisch-parametrischen Oszil-
MARKUS SCHINDLER
BESTER JUNGMEISTER 2014
Erfolgsmeldung aus der Fraunhofer IPM
Harmloser Umschlag oder Briefbombe? In den Poststellen gro-
Werkstatt: Der Feinwerkmechaniker-
ßer Unternehmen, Behörden, Justizvollzugsanstalten und Bot-
meister Markus Schindler wurde von der
schaften stellt sich diese Frage täglich. »T-COGNITION« bietet
Freiburger Handwerkskammer für seine
herausragende Leistung mit dem Titel
1
1 Jens Kießling bei der feierlichen Verleihung des
Hugo-Geiger-Preises 2014 in München.
10
einen zuverlässigen Sicherheitscheck für Postsendungen, der
das Briefgeheimnis wahrt. Der ungeöffnete Brief wird über
eine Klappe in das Messgerät eingelegt und von Terahertz-
»Bester Jungmeister 2014« ausgezeich-
Wellen durchleuchtet. Je nachdem, auf welche Stoffe die
net. Die Verleihung fand am 6. Dezember
Wellen treffen, werden bestimmte Wellenlängen-Bereiche
im Freiburger Konzerthaus statt.
Glückwunsch!
Terahertz-Wellen können Papier, Holz, leichte Bekleidung,
absorbiert. Das wird von Detektoren gemessen. »Innerhalb
weniger Sekunden identifiziert das Gerät den spektroskopischen Fingerabdruck eines Gefahrenstoffs durch Abgleich mit
einer Datenbank«, erläutert Thorsten Sprenger. Enthält ein
4
11
MAGAZIN
Lehrstühle in Freiburg
und Kaiserslautern
Fraunhofer IPM ist durch assoziierte Lehrstühle
mit den lokalen Universitäten in Freiburg und
Kaiserslautern vernetzt. So stehen wir in direktem
Kontakt zur Grundlagenforschung und können
auf neueste Forschungsergebnisse zurückgreifen.
Gebäude und Ausstattung
Technische Universität Kaiserslautern
Fachbereich Physik
NEUER GASMESSPLATZ
Fraunhofer IPM verfügt seit dem Jahr 2014
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK
Lehrstuhl für Optische Systeme
Prof. Dr. Karsten Buse
über einen neuen Gasmessplatz. Dieser
Lehrstuhl für Optische Technologien und Photonik
Prof. Dr. Georg von Freymann
ermöglicht eine gleichzeitige Beaufschlagung von Detektoren mit Prüfgasen, die
Wissenschaftler der Arbeitsgruppe studieren die Wechsel-
Forschungsschwerpunkte sind nichtlinear-optische Materia-
wirkung zwischen Licht und Materie. Ziel ist unter anderem
Regulierung der Temperatur, Strömung
lien und Flüstergalerieresonatoren. Ein Ziel ist die Miniaturi-
die Erzeugung dreidimensionaler Mikro- und Nanostrukturen
und Luftfeuchte sowie die Aufzeichnung
sierung optisch-parametrischer Oszillatoren. Die gemeinsam
als Grundlage funktioneller Materialien für die Photonik. Als
mit weiteren Optik-Lehrstühlen ins Leben gerufene Speziali-
zentrale Technologie zur Herstellung solcher Strukturen wird
sierungsmöglichkeit »Photonics« wurde in den Studienplan
die dreidimensionale Laserlithographie genutzt.
für den Masterstudiengang Mikrosystemtechnik aufgenom-
3
resultierender Signalverläufe. Weitere
Besonderheit: auch toxische Gase wie
3 Der Neubau am Fraunhofer-Zentrum in Kaiserslautern wurde
am 14. April 2015 feierlich eingeweiht.
men. Gruppenleiter Dr. Ingo Breunig betreut die Forschungs-
Kohlenmonoxid können bis 30 % beaufschlagt werden. Zusätzlich dazu lassen
sich verschiedene Erdgase in unterschied-
arbeiten am Lehrstuhl.
Gebäudeeinweihung in Kaiserslautern – Planungsfortschritte in Freiburg
Lehrstuhl für Gassensoren
Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein
Freude am Standort Kaiserslautern: Im Februar 2015 bezogen
Am Lehrstuhl werden gassensitive Materialien, Sensoren
die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Abteilung »Mate-
und Sensorsysteme entwickelt. Im Zentrum der Forschung
rialcharakterisierung und -prüfung« ihr neues Domizil am
stehen miniaturisierte, energiesparende Gasmesssysteme. Ein
Fraunhofer-Platz 1. Das Gebäude wurde am 14. April 2015
besonderer Schwerpunkt ist die Entwicklung preisgünstiger
feierlich eröffnet, mit dabei hochrangige Gäste aus Politik
und energiesparender Sensoren.
lichen Verhältnissen miteinander mischen
und abfüllen.
und Wirtschaft. Das Wachstum der Abteilung hatte den
2
Neubau notwendig gemacht, der von EU, Bund und Land
Rheinland-Pfalz mit insgesamt 9 Millionen Euro unterstützt
wurde. Das moderne Institutsgebäude bietet Raum für 50
Kolleginnen und Kollegen.
1 Campus der Technischen Fakultät der
Die Planung für den Institutsneubau in Freiburg geht in die
Universität Freiburg.
heiße Phase: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat den Raumbedarfs- und Stellenplan bewilligt, die
2 Verwaltungsgebäude der TU Kaisers1
12
lautern.
Vergabeverfahren für die Architekten laufen. Baufreigabe
ist voraussichtlich im Dezember 2015, Baubeginn des rund
4
4 Auch toxische Gase können
hier beaufschlagt werden.
6 500 m² großen Gebäudes voraussichtlich im September 2016.
13
MAGAZIN
Thomas Hinrichs, Werkstattleiter
bei Fraunhofer IPM.
Beispiele aus dem Forschungs-Alltag
Fraunhofer IPM auf der arabischen Halbinsel
Im November 2014 fand in Katar die »Qatar Foundation Annual Research Conference QFARC« statt. Die Konferenz wird
von der Qatar Foundation for Education, Science and Community Development ausgerichtet. Deren Auftrag ist es, die
PROJEKT: ABWÄRMEATLAS
Das Forschungsprojekt »Abwärmeatlas:
Zukunft des Landes durch Bildung und Forschung zu sichern.
Im Mittelpunkt der diesjährigen Konferenz standen die vier
Themenbereiche »Energy and Environment«, »Computing
Erhebung, Abschätzung und Evaluierung
and Information Technology«, »Health« und »Social Sciences,
von industrieller Abwärme in Deutschland –
Arts and Humanities«. Jana Heuer und Hans-Fridtjof Pernau
Potenziale und Forschungsbedarf« befasst
sich mit der Abwärmenutzung in energiein-
waren vor Ort. Beide forschen bei Fraunhofer IPM auf dem
Gebiet der Thermoelektrik.
Interview: »Jeden Tag was Neues«
Unsere modern ausgestattete mechanische
Werkstatt stellt maßgeschneiderte Präzisionsteile für die im Haus entwickelten Systeme her.
Wir haben mit Thomas Hinrichs gesprochen,
der seit 2005 die Werkstatt leitet.
1.
3.
3. Wie sieht ein normaler Arbeitstag in der
Werkstatt aus?
Das kann man gar nicht so genau sagen. Es kann sein, dass
ein Arbeitsplan für die nächsten zwei Wochen innerhalb
von wenigen Stunden komplett hinfällig wird, da wir immer
zeitlich flexibel auf neue Aufträge reagieren. Akute Aufträge
schieben wir dazwischen. Das bringt den Terminplan natür-
1. Was sind die Vorteile von einer Werkstatt
im Haus?
lich erstmal durcheinander. Aber dafür wird es bei uns nie
Zunächst einmal, dass wir auf alle Situationen flexibel
unsere Arbeit hier sehr interessant und abwechslungsreich.
reagieren können. Und im Gegensatz zur Wirtschaft, die
Ein weiterer wichtiger Bestandteil unserer Werkstatt ist die
für einen Auftrag sechs bis acht Wochen braucht, sind wir
Ausbildung zum Industriemechaniker Fachrichtung Feinwerk-
langweilig. Es gibt wirklich jeden Tag was Neues, das macht
außerdem schneller. Das ist wichtig, denn wenn für ein
und Gerätetechnik. Der stellvertretende Leiter der Werkstatt,
tensiven Branchen der Industrie. Deutsch-
Katar zählt zu den trockensten Landschaften der Erde. Die
Projekt kurzfristig ein Bauteil benötigt wird, würde es den
Achim Weber, ist Ausbildungsleiter und Mitglied im Prü-
landweit werden dafür Daten gesammelt
Sicherung der Wasserversorgung spielt daher eine zentrale
ganzen Projektplan durcheinander bringen, wenn man
fungsausschuss der Industrie- und Handelskammer Südlicher
und bewertet. Fraunhofer IPM identifiziert
Rolle und stand im Mittelpunkt der Diskussionen. So hielt
so lange auf ein Teil warten müsste. Dass wir so schnell
Oberrhein. Pro Lehrjahr nehmen wir einen neuen Auszubil-
etwa der Nobelpreisträger und ehemalige Energieminister
reagieren können, verdanken wir unter anderem dem Pro-
denden, derzeit haben wir vier. Für unsere Werkstattgröße
der USA, Dr. Steven Chu, einen Vortrag über »Solar Energy
gramm CAD-CAM Creo Elements Pro, mit dem wir direkt
mit zehn Mitarbeitern, davon fünf Gesellen, ist das sehr viel.
and Water Security«. Fraunhofer IPM stellte neue Möglich-
auf die Daten der Konstrukteure zugreifen und virtuelle
Unsere Gesellen »generieren« wir auch komplett selber, also
keiten vor, wie energieautarke thermoelektrische Sensoren
Prototypen in 3D erstellen können. Dank der Simulations-
alle, die jetzt hier arbeiten, haben auch hier gelernt.
die Wasserversorgung verbessern könnten: Und zwar indem
software werden mögliche spätere Fehler schon im Vorfeld
sie Pipelines, die Wasser über mehrere tausend Kilometer
behoben. Dieser Zwischenschritt verringert die Ausschuss-
durch die Wüste transportieren, auf Lecks kontrollieren. Dank
rate und verhindert Probleme während der Produktion.
thermoelektrischer Generatoren benötigen sie weder Batte-
Aus dem Modell heraus kann man auch direkt die Maschi-
rien noch Wartung und sind damit ideal geeignet für schwer
nen programmieren, wir sind da also schon einen Schritt
erreichbare Einsatzorte.
weiter als viele andere, die das noch von Hand machen.
und charakterisiert im Rahmen des Projekts
Technologien zur Abwärmenutzung und
Bedingungen für deren Einsatz.
Wir haben ganz kurze Wege zwischen Konstruktion und
Fertigung. So sind unsere Mitarbeiter in der Lage, die
2.
Aufträge der Konstrukteure schnell, flexibel und in hoher
Maschinenausstattung
• zweiHermle5-Achs-BearbeitungszentrenX-Y-Z
600-450-450 mm
Qualität zu bearbeiten.
• einHermle3-Achs-BearbeitungszentrumX-Y-Z
2. Welche Aufgaben haben Sie als Leiter?
• eineFehlmannPräzisions-Fräs-Bohrmaschine
Ich kümmere mich um die Arbeitsvorbereitung und die
Termine und koordiniere, wer wann was an welcher
Maschine macht. Der Terminplan ist bei uns das A und O.
Damit die Projektleiter gut planen können, ist es wichtig,
800-600-500
• zweimanuelleWeilerPräzisions-Drehmaschinen
(Sonderspindellagerung mit 2 µm Rundlauf)
• dreiDrei-AchsCNC-FräsmaschinenmitStrecken-
und Bahnsteuerung
zeitlich zuverlässig zu sein, und das sind wir auch.
14
15
B E T R I E B S H A U S H A LT I P E R S O N A L
K U R AT O R I U M
Betriebshaushalt
Unser Kuratorium
Im Jahr 2014 betrug der Betriebshaushalt von Fraunhofer
Ein engagiertes, kompetentes und breit aufgestelltes Kurato-
IPM 14,7 Millionen Euro und ist damit um 0,6 Millionen
rium berät und unterstützt Fraunhofer IPM bei strategischen
Euro niedriger als im Jahr 2013. Der Betriebshaushalt setzt
Fragen und Weichenstellungen für die Zukunft.
sich zusammen aus Industrieerlösen, öffentlich geförderten
Projekten und der Grundfinanzierung. Dabei liegt der Anteil
Reinhard Hamburger, Vorsitzender des Kuratoriums,
externer Finanzierungsgelder, bestehend aus externen öffent-
C-FOR-U Business Coaching
lichen Geldern und Industrieerlösen, bei 67,6 Prozent bzw.
Dr. Bernd Dallmann, Freiburg Wirtschaft Touristik und
9,9 Millionen Euro (Abb. rechts). Die Industrieerlöse machen
Messe GmbH & Co. KG
mit 6,3 Millionen Euro einen Anteil von 42,9 Prozent am
Dr. Hans Eggers, Bundesministerium für Bildung und
Betriebshaushalt aus. Das entspricht einer leichten Steigerung
Forschung
gegenüber dem Vorjahr um 0,3 Prozentpunkte.
Prof. Dr. Thomas Graf, Direktor des Instituts für Strahl-
»Der Fraunhofer-Grundgedanke wird
werkzeuge IFSW der Universität Stuttgart
am Fraunhofer IPM ganz hervorra-
Dr. Ehrentraud Graw, Ministerium für Finanzen und Wirt-
gend gelebt. Das macht es Firmen
schaft Baden-Württemberg
leicht, in Kooperation zu treten.«
Siegfried Groß, Keysight Technologies Deutschland GmbH
Prof. Dr. Jan G. Korvink, Institut für Mikrostrukturtechnik,
Dr. Christian Schmitz
Karlsruher Institut für Technologie
Prof. Dr. Gunther Neuhaus, Albert-Ludwigs-Univ. Freiburg,
Personal
Prorektor für Forschung
Im Vergleich zum Vorjahr hat sich die Mitarbeiterzahl kaum
Dr. Volker Nussbaumer, Deutsche Telekom AG
verändert. Insgesamt 137 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
Dr. Christian Schmitz, Geschäftsführer der TRUMPF Laser-
sind bei Fraunhofer IPM in Festanstellung beschäftigt, davon
und Systemtechnik GmbH
18 am Standort Kaiserslautern. Am Institut arbeiten zusätzlich
Dr. Knut Siercks, Geschäftsführer vom Hexagon Technology
rund 55 Studenten und Berufseinsteiger, davon 46 Diplo-
Center (CH-Heerbrugg)
manden, Master- und Bachelorstudenten, 9 Auszubildende,
Prof. Dr. Michael Totzeck, Carl Zeiss AG
Praktikanten und Hilfskräfte. Zusätzlich sind etwa 25 externe
Dr. Carola Zimmermann, Referatsleiterin Abt. Forschung
Mitarbeiter am Fraunhofer IPM tätig (Abb. rechts). Prozentual
und Technologie, Ministerium für Bildung, Wissenschaft,
verteilen sich die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf drei
Weiterbildung und Kultur (MBWWK) des Landes Rhein-
grundlegende Bereiche: Rund 50 Prozent der Beschäftigten
land-Pfalz
arbeiten als wissenschaftliche Mitarbeiter, 35 Prozent als
Ingenieure und technische Mitarbeiter sowie 15 Prozent als
Angestellte im Bereich Infrastruktur und Werkstatt.
16
17
O R G A N I S AT I O N I A N S P R E C H PA RT N E R
Institutsleiter
Prof. Dr. Karsten Buse
Telefon +49 761 8857-111
[email protected]
Stellvertretender Institutsleiter
Dr. Heinrich Höfler
Telefon +49 761 8857-173
[email protected]
Produktionskontrolle
Referentin der Institutsleitung
Dr. Rosita Sowade
Telefon +49 761 8857-222
[email protected]
Materialcharakterisierung und -prüfung
Kompetenz- und Geschäftsfeldentwicklung
Dr. Armin Lambrecht
Telefon +49 761 8857-122
[email protected]
Objekt- und
Formerfassung
Gas- und
Prozesstechnologie
Funktionelle Materialien und Systeme
Verwaltung und IT
Jörg Walter
Telefon +49 761 8857-120
joerg.walter@
ipm.fraunhofer.de
Abteilungsleiter
Dr. Daniel Carl
Telefon +49 761 8857-549
daniel.carl@
ipm.fraunhofer.de
Abteilungsleiter
Prof. Dr. Georg von Freymann
Telefon +49 631 2057 40-01
georg.vonfreymann@
ipm.fraunhofer.de
Abteilungsleiter
Dr. Heinrich Höfler
Telefon +49 761 8857-173
heinrich.hoefler@
ipm.fraunhofer.de
Abteilungsleiter
Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein
Telefon +49 761 8857-134
juergen.woellenstein@
ipm.fraunhofer.de
Abteilungsleiter
Dr. Heinrich Höfler
Telefon +49 761 8857-173
heinrich.hoefler@
ipm.fraunhofer.de
Technische Dienste
Clemens Faller
Telefon +49 761 8857-214
clemens.faller@
ipm.fraunhofer.de
Stellvertretender
Abteilungsleiter
PD Dr.-Ing. Albrecht
Brandenburg
Telefon +49 761 8857-306
albrecht.brandenburg@
ipm.fraunhofer.de
Stellvertretender
Abteilungsleiter
Dr. Joachim Jonuscheit
Telefon +49 631 2057 40-11
joachim.jonuscheit@
ipm.fraunhofer.de
Stellvertretender
Abteilungsleiter
Harald Wölfelschneider
Telefon +49 761 8857-161
harald.woelfelschneider@
ipm.fraunhofer.de
Stellvertretender
Abteilungsleiter
Gerd Sulz
Telefon +49 761 8857-293
[email protected]
Stellvertretender
Abteilungsleiter
Dr. Kilian Bartholomé
Telefon +49 761 8857-238
kilian.bartholome@
ipm.fraunhofer.de
Inline-Messtechnik
Dr. Alexander Bertz
Telefon +49 761 8857-362
alexander.bertz@
ipm.fraunhofer.de
Elektronische
Terahertz-Messtechnik
Dr. Fabian Friederich
Telefon +49 631 2057 40-08
fabian.friederich@
ipm.fraunhofer.de
Laser Scanning
PD Dr. Alexander Reiterer
Telefon +49 761 8857-183
alexander.reiterer@
ipm.fraunhofer.de
Integrierte
Sensorsysteme
Dr. Marie-Luise Bauersfeld
Telefon +49 761 8857-290
marie-luise.bauersfeld@
ipm.fraunhofer.de
Magnetokalorik und
Elektrokalorik
Dr. Kilian Bartholomé
Telefon +49 761 8857-238
kilian.bartholome@
ipm.fraunhofer.de
Optische
Oberflächenanalytik
PD Dr.-Ing. Albrecht
Brandenburg
Telefon +49 761 8857-306
albrecht.brandenburg@
ipm.fraunhofer.de
Optische TerahertzMesstechnik
Dr. Frank Ellrich
Telefon +49 631 2057 40-04
frank.ellrich@
ipm.fraunhofer.de
Thermische Messtechnik
und Systeme
Martin Jägle
Telefon +49 761 8857-345
martin.jaegle@
ipm.fraunhofer.de
Nichtlineare Optik
Dr. Frank Kühnemann
Telefon +49 761 8857-457
frank.kuehnemann@
ipm.fraunhofer.de
TerahertzOpto-Elektronik
Dr. Christoph Kaiser
Telefon +49 631 2057 40-06
christoph.kaiser@
ipm.fraunhofer.de
Spektroskopie und
Prozessanalytik
Dr. Raimund Brunner
Telefon +49 761 8857-310
raimund.brunner@
ipm.fraunhofer.de
Thermoelektrik
Dr. Jan D. König
Telefon +49 761 8857-329
jan.koenig@
ipm.fraunhofer.de
Qualitätsmanagement
Dr. Arno Feißt
Telefon +49 761 8857-288
arno.feisst@
ipm.fraunhofer.de
Neue Technologien und
Patente
Holger Kock
Telefon +49 761 8857-129
holger.kock@
ipm.fraunhofer.de
18
19
GESCHÄFTSFELD
PRODUKTIONSKONTROLLE
Produktionskontrolle
»Wir entwickeln optische Messsysteme für die Produktion«
Für die Produktionskontrolle entwickelt Fraunhofer
IPM optische Systeme und bildgebende Verfahren,
mit denen sich Oberflächen und 3D-Strukturen in der
Produktion analysieren und Prozesse regeln lassen.
Die Systeme messen so schnell und so genau, dass
kleine Defekte oder Verunreinigungen auch bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten erkannt werden.
Damit wird eine 100-Prozent-Echtzeitkontrolle in
der Produktion im Sinn der Industrie 4.0 möglich.
THEMEN
Eingesetzt wird eine große Bandbreite an Verfahren,
darunter digitale Holographie, Infrarot-, Reflexions-
Oberflächenanalytik
Spektroskopie und Fluoreszenzverfahren, kombiniert
mit sehr schneller hardwarenaher Bild- und Datenver-
100-Prozent-Qualitätsprüfung
arbeitung. Die Systeme werden beispielsweise in der
Umformtechnik und im Automobilbereich eingesetzt.
Inline-Produktionsüberwachung und -regelung
Inline-Messtechnik
Schwerpunkt der Gruppe sind industrietaugliche
KOMPETENZEN
2D- und 3D-Messsysteme, die ausgewertete Daten in
Echtzeit und unter harten Produktionsbedingungen
bildgebende Fluoreszenzmesstechnik
bereitstellen, zum Beispiel zur Regelung empfindlicher Herstellungsprozesse. Dies gelingt durch die
bildgebende 3D-Verfahren
Kombination optischer Messtechniken mit extrem
schnellen Auswerteverfahren.
digitale Holographie
Optische Oberflächenanalytik
Inline-Mikroskopie
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung
schlüsselfertiger Geräte zur Oberflächenanalytik.
schnelle Bildverarbeitung
Eingesetzt werden Fluoreszenz-Messtechnik sowie
Infrarot-Reflexions-Spektroskopie. Die langjährige Erfahrung bei der Systementwicklung umfasst optische
Einheiten, Bilderfassung und Bildverarbeitung.
KONTAKT
Dr. Daniel Carl, Abteilungsleiter
Telefon +49 761 8857-549, [email protected]
Dr. Alexander Bertz
Inline-Messtechnik
Telefon: +49 761 8857-362, [email protected]
PD Dr.-Ing. Albrecht Brandenburg
Optische Oberflächenanalytik
Telefon +49 761 8857-306, [email protected]
20
Messung von Mikrodeformationen mittels elektronischer
Specklemuster-Interferometrie.
21
PRODUKTIONSKONTROLLE
INLINE-MESSTECHNIK
mit unbeeinflusstem Laserlicht derselben Quelle kohärent
Digitale Holographie für
die 100-Prozent-Kontrolle
überlagert. Die dadurch entstehenden Interferenzbilder – die
Fraunhofer IPM bringt die digitale Mehrwellenlängen-Holographie
erstmals in die Produktionslinie. Um Bauteile im Takt der Produktion
mikrometergenau zu vermessen, optimierten die Wissenschaftler
das 3D-Messverfahren.
sogenannten digitalen Hologramme – tragen die Information über die Form des Objekts in sich. Mithilfe numerischer
Berechnungen lässt sich diese Information aus den Hologrammen extrahieren. Wiederholt man die Messung mit mehreren
DENNIS GÁBOR (1900–1979) gilt als
leicht unterschiedlichen Laserwellenlängen, wird anhand der
Erfinder der Holographie. Der ungarische In-
kleinen Unterschiede der Messergebnisse der axiale Messbe-
genieur hatte als Erster im Jahr 1947 zeigen
reich signifikant bis in den cm-Bereich gesteigert. Erst diese
können, wie sich die Information über die
Auswertung ermöglicht die 3D-Messung an rauen Oberflä-
Phasen des Zwischenbilds durch Überlage-
chen, die ansonsten wegen des Speckleeffekts unmöglich
ist. Durch die Wahl der Laserwellenlängen und des optischen
rung der Objekt- und der Referenzwelle auf
Aufbaus lässt sich das Verfahren an verschiedene Einsatzbe-
direktem Weg gewinnen und fotografisch
reiche individuell anpassen.
festhalten lässt. Dafür erhielt Gábor im Jahr
1971 den Nobelpreis für Physik.
Präzise Messung metallischer Objekte
Metallische Bauteile und Halbzeuge, wie sie etwa beim
Tiefziehen – einem Verfahren zur Blechumformung – oder
Die Anforderungen an die Präzision von Bauteilen und
anderen Kaltumformungsprozessen entstehen, lassen sich
Maschinen steigen stetig. Hochtechnisierte Industrien wie
mit digitaler Mehrwellenlängen-Holographie sehr gut ver-
die Luftfahrt- oder die Automobilindustrie arbeiten heutzu-
messen. Dies zeigen beispielhaft Messungen an der Ober-
200 µm
tage mit Fertigungstoleranzen im Mikrometerbereich. Die
fläche einer italienischen 10-Cent-Münze. Das gestrichelt
150 µm
gestiegenen Anforderungen an die Prozesse machen oftmals
markierte Messfeld in Bild 2 hat eine Größe von rund 20 ×
100 µm
eine 100-Prozent-Kontrolle notwendig. Gleichzeitig steigt
20 mm². Es besteht aus insgesamt 9 Millionen Messpunkten.
50 µm
der Durchsatz moderner Produktionsanlagen permanent:
Die Zeit für die Datenaufnahme beträgt 150 ms. Und die
Produktionstakte von mehreren Bauteilen pro Sekunde sind
anschließende Rechnung, die aus den Rohdaten echte
keine Seltenheit mehr, was die Einsatzmöglichkeiten etablier-
3D-Daten erzeugt, dauert weniger als 200 ms. Erreicht wird
ter Messverfahren stark begrenzt.
die schnelle Datenauswertung durch hochgradig parallele
250 µm
0 µm
Datenverarbeitung auf modernen Grafikkarten. Ein Ausschnitt
Fraunhofer IPM setzt hier mit großem Erfolg auf die digitale
aus dem gesamten Messdatensatz ist in Bild 3 zu sehen. Auch
Mehrwellenlängen-Holographie als Messtechnik der Wahl.
die feinen Details der Messoberfläche werden aufgelöst. Die
Sie ermöglicht eine schnelle und gleichzeitig hochpräzise
erreichbare laterale Auflösung ist dabei durch die Abbildungs-
3D-Messung von technischen Bauteilen. Ein großer Vorteil
qualität des verwendeten Objektivs gegeben und liegt bei den
ist die Skalierbarkeit des Verfahrens: Während beispielsweise
meisten Anwendungen im Bereich weniger Mikrometer.
für mikromechanische Bauteile feinste Strukturen aufgelöst
Die digitale Mehrwellenlängen-Holographie ist ein 3D-Mess-
werden müssen, können durch Anpassung am optischen
verfahren mit viel Potenzial. Ob beim Tiefziehen, Prägen,
Aufbau auch Messfelder von 30 × 30 mm² und darüber
Spritzgießen, der spanenden Bearbeitung oder in der Elek-
realisiert werden. Spiegelnde und raue Oberflächen können
tronikfertigung: Sie eignet sich überall dort, wo bei hohen
gleichermaßen vermessen werden; auch Materialverbünde
Messraten hochgenaue Messergebnisse gefordert sind und
wie metallische Strukturen auf Kunststoffsubstraten sind gut
setzt einen neuen Standard für die 3D-Messung in der Pro-
messbar, ebenso Verbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkte
duktionslinie.
2
Kunststoffe.
170 µm
Flexibler Aufbau für individuelle Anwendungen
Die digitale Mehrwellenlängen-Holographie beruht darauf,
85 µm
dass der zu vermessende Prüfling mit Laserlicht bestrahlt wird.
2 + 3 Beispielmessung der Oberfläche einer
Der Prüfling streut das Licht teilweise zurück zum Sensor.
Das rückgestreute Licht wird in der Regel mit einem Objektiv
eingesammelt und auf eine Kamera gelenkt. Dort wird es
22
italienischen 10-Cent-Münze. Das in Bild 2 gezeigte Messfeld ist rund 400 mm groß. Bild 3
1 Topographie eines Ball Grid Arrays
mit Lötkontakten (Höhe: 150 µm).
0 µm
2
1
zeigt die markierte Detailansicht aus Bild 2.
3
Dr. Alexander Bertz, Telefon +49 761 8857-362, [email protected]
23
PRODUKTIONSKONTROLLE
1 Fraunhofer IPM entwickelt spezielle Mikroskopie-Systeme, die zur Inline-Kontrolle in
Produktionsprozessen eingesetzt werden.
1
2
O P T I S C H E O B E R F L Ä C H E N A N A LY T I K
Inline-Mikroskopie für
anspruchsvolle Messaufgaben
Reinraum der Klassen 100 und 1000 zur Verfügung. So
Einwegartikel werden in der Regel kostengünstig und schnell produziert.
Doch auch kurzlebige Produkte müssen oft hohen Qualitätsansprüchen genügen
– etwa in der Medizin. Fraunhofer IPM entwickelt dafür Spezial-MikroskopieSysteme, die kritische Produktionsprozesse vollautomatisch überwachen.
werden. Fraunhofer IPM-Mikroskope sind also immer dort
können die Systeme unter den Bedingungen der medizintechnischen Produktion entwickelt und getestet werden.
Damit wird gewährleistet, dass sie auch unter sehr rauen,
anspruchsvollen Umgebungsbedingungen funktionieren. Die
Systeme messen schnell und präzise und können schließlich
zur Inline-Kontrolle direkt in Produktionsprozessen eingesetzt
gefragt, wo messtechnische Standardlösungen nicht ausreichen, etwa für die schnelle Inspektion großer planer Flächen
auf mikrometergroße Defekte oder Verunreinigungen sowie
für die Prüfung von Bauteilen mit speziellen Geometrien, bei
denen eine mikrometergenaue Passung im Sekundentakt
sichergestellt werden muss. Fehlerhafte Bauteile können so
Für eine 100-Prozent-Qualitätskontrolle in der medizintech-
Größenordnung von wenigen Mikrometern. Herausforderun-
rechtzeitig ausgeschleust und die Produktion – insbesondere
nischen Produktion sind Standard-Messtechniken oftmals
gen für die Entwickler sind dabei neben der Größe auch die
von Einwegartikeln – deutlich effizienter und vor allem sicher
unzureichend. Zu komplex sind die Messaufgaben und die
nicht planen Geometrien der Bauteile: Häufig handelt es sich
realisiert werden.
Prozesse, in die die Messungen integriert werden müssen.
um sehr kleine, dafür aber geometrisch anspruchsvolle mikro-
Dabei ist eine lückenlos dokumentierte Qualitätskontrolle
mechanische Objekte, deren Oberflächen gekrümmt sind
gerade bei medizinischen Produkten unabdingbar, denn hier
oder verdeckte Kanten und Strukturen aufweisen. Auch Ver-
können Fehler unmittelbar Folgen für die Gesundheit von
bundsysteme aus verschiedenen Materialien stellen in diesem
Menschen haben. Medizinische Einwegartikel werden in
Bereich hohe Anforderungen an eine präzise Messtechnik.
hohen Stückzahlen hergestellt, doch zur Qualitätssicherung
Je nach Szenario passt Fraunhofer IPM Mikroskope an diese
in diesem sensiblen Bereich ist auch hier die 100-Prozent-
komplexen Geometrien und Eigenschaften an.
MEDIZINISCHE EINWEGARTIKEL, z. B.
Bauteilkontrolle unerlässlich. Dies ist nur mit Inline-Inspektionssystemen zu erreichen, die bis in den Mikrometer-Bereich
Individuell angepasste Systeme
für die moderne Laboranalytik, haben oft
messen, und das auch bei hohem Durchsatz.
Wo immer möglich greifen die Wissenschaftler dabei zu-
winzige Strukturen in der Größenordnung
nächst auf kommerziell erhältliche Mikroskope zurück, die
weniger Mikrometer. Schon kleinste Fehler
Strukturdefekte im Mikrometerbereich zuverlässig detektieren
sie dann zu Spezialsystemen erweitern. Dafür werden Beleuchtung, mechanische und elektrische Schnittstellen und
führen auf dieser Größenskala zu unbrauch-
Fraunhofer IPM entwickelt speziell für die Massenproduk-
nicht zuletzt die Software zur Dateninterpretation auf die
baren Analyseergebnissen. Hersteller solcher
tion Mikroskopie-Systeme, die in der Lage sind, auch solch
besonderen Anforderungen hin optimiert. So lässt sich eine
anspruchsvolle Produktionsprozesse zuverlässig und vollauto-
lückenlose Dokumentation und damit Rückverfolgbarkeit der
in Masse gefertigten Kunststoffteile müssen
matisch zu überwachen. Die individuell angepassten Spezial-
Bauteile erreichen, was besonders im sensiblen medizinischen
Mikroskope erkennen Strukturdefekte mikromechanischer
Bereich unter Sicherheitsaspekten von großer Bedeutung ist.
Bauteile sowie Verunreinigungen auf diesen Bauteilen in einer
Für den Aufbau und ausführliche Tests steht am Institut ein
24
PD Dr.-Ing. Albrecht Brandenburg, Telefon +49 761 8857-306, [email protected]
2
2 Mikrofluidik-LabDisk: HSG-
daher die exakte Maßhaltigkeit nachweisen
IMIT, Institut für Mikro- und
können.
Informationstechnik Freiburg.
25
GESCHÄFTSFELD
M AT E R I A L C H A R A K T E R I S I E R U N G U N D - P R Ü F U N G
Materialcharakterisierung und -prüfung
»Wir charakterisieren berührungslos und zerstörungsfrei«
Fraunhofer IPM entwickelt anwendungstaugliche Messsysteme zur Materialcharakterisierung und -prüfung, die
mit Terahertz- und Mikrowellen arbeiten. Dabei greifen die
Wissenschaftler auf Kompetenzen in der optischen Systemund Messtechnik, der Spektroskopie und der Entwicklung von
Kristall- und Halbleiterkomponenten zurück. Die Terahertzoder Mikrowellen-Messtechnik ist eine Alternative zu Ultraschallmessungen, wenn kein mechanischer Kontakt möglich
ist oder gewünscht wird, aber auch zu Röntgenmessungen,
wenn ionisierende Strahlen ein Problem darstellen. Mit den
Messsystemen können Materialien durch Verpackungen
THEMEN
hindurch charakterisiert und versteckte Drogen oder Spreng-
zerstörungsfreie Materialprüfung
stoffe gefunden werden. In der Materialprüfung lassen sich
Schichtdickenmessung
stoffen (Glasfasern etc.) zerstörungsfrei aufspüren. Besonde-
Defekte in Keramiken, Kunststoffen oder auch Verbundwerkres Interesse gilt der Schichtdickenmessung, zum Beispiel in
chemische Analyse (Pharmazeutika, Gefahrstoffe)
Lackierprozessen oder bei der Herstellung von Tabletten.
Sicherheitsanwendungen
Elektronische Terahertz-Messtechnik
Vektor-Netzwerkanalysatoren
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung anwendungsspezifischer Terahertz-Systeme für die zerstörungsfreie Material-
KOMPETENZEN
prüfung. Dabei steht der untere Terahertz-Spektralbereich im
Fokus. Viele elektrisch nichtleitende Materialien wie Kunst-
Herstellung von Terahertz-Komponenten
stoffe, Keramiken oder Textilien sind in diesem Spektralbereich
Spektroskopie-Systeme
häufig transparent.
Terahertz-Bildgebung
Optische Terahertz-Messtechnik
ultraschnelle elektro-optische Hochfrequenz-Messtechnik
Die Gruppe entwirft und baut schlüsselfertige Terahertz-Zeitbereichs-Systeme zur Erzeugung und Detektion breitbandiger
Terahertz-Strahlung. Das Team befasst sich mit der Herstellung von Terahertz-Antennen als Sende- und Empfangseinheit
und forscht im Bereich der zerstörungsfreien Materialcharak-
KONTAKT
terisierung. Dazu zählen Anwendungen im Sicherheitsbereich
Prof. Dr. Georg von Freymann, Abteilungsleiter
sowie die nahezu substratunabhängige Dickenanalyse von
Telefon +49 631 2057 40-01, [email protected]
Mehrschichtsystemen.
Dr. Fabian Friederich
Terahertz-Opto-Elektronik
Elektronische Terahertz-Messtechnik
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung von Messtechnik
Telefon +49 631 2057 40-08, [email protected]
für die ultraschnelle Elektronik bis in den Terahertz-Frequenzbereich, zum Beispiel zur Charakterisierung elektronischer
Dr. Frank Ellrich
Höchstfrequenz-Schaltkreise. Kombiniert werden extrem
Optische Terahertz-Messtechnik
schnelle elektro-optische Wandler und ultraschnelle Optik.
Telefon +49 631 2057 40-04, [email protected]
Dr. Christoph Kaiser
Terahertz-Opto-Elektronik
Telefon +49 631 2057 40-06, [email protected]
26
Terahertz-Wellen machen
verborgene Strukturen und
Materialdefekte sichtbar.
27
M AT E R I A L C H A R A K T E R I S I E R U N G U N D - P R Ü F U N G
1 + 2 Ein MIMO-Terahertz-System kann mithilfe von
jeweils nur zwölf Terahertz-Sendern und -Empfängern bis zu 144 Bildpunkte simultan aufzeichnen.
»MIMO« (MULTIPLE INPUT MULTIPLE
Das erspart nicht nur teure Komponenten, sondern
OUTPUT) bezeichnet ein Signalauswerte-
verkürzt gleichzeitig auch deutlich die Messzeit.
1
verfahren, das auf mehreren Sende- und
2
Empfangsantennen basiert. Das Konzept
stammt ursprünglich aus der Nachrichtentechnik. MIMO erlaubt die Anwen-
ELEKTRONISCHE TERAHERTZ-MESSTECHNIK
Schnelle Volumeninspektion
mit Terahertz-Wellen
Niederfrequente Terahertz-Wellen eignen sich hervorragend zur zerstörungsfreien Materialprüfung. Denn elektrisch nichtleitende Materialien wie Kunststoffe, Keramiken, Textilien oder auch komplexe Verbundwerkstoffe sind in
diesem Spektralbereich häufig transparent. Bei der Entwicklung industriereifer Systeme zur Volumeninspektion setzt Fraunhofer IPM nun auf neue
Messkonzepte aus der Kommunikations- und Radartechnik.
dung von speziellen Modulationsverfahren, die neben der zeitlichen auch die
räumliche Information ausnutzen.
Basis des MIMO-Verfahrens beruht auf einem multistatischen
Radar mit synthetischer Apertur (SAR). Die Methode benötigt
eine rechenintensive Bildrekonstruktion. Das Messprinzip
besteht darin, durch gezieltes Schalten einzelner Sende- und
Empfangseinheiten eine synthetische Sensoranordnung zu
generieren. Dadurch kann die benötigte Anzahl der teuren
Sensorelemente erheblich reduziert und die physikalische
Sensoranordnung flexibel für die Anwendung angepasst werden. Im Idealfall entspricht die Gesamtzahl der Messpunkte
der Anzahl der Sender mal der Anzahl der Empfänger.
Weniger Komponenten – mehr Leistung
In der zerstörungsfreien Prüfung hat die berührungslose
nativen Messkonzepten, die aus der Kommunikations- und
In einer ersten Umsetzung der Idee wurden jeweils zwölf
Terahertz-Messtechnik schon an vielen Stellen für große Auf-
Radartechnik stammen.
Terahertz-Sender und -Empfänger auf einer Länge von
60 cm angeordnet (Bild 1 und 2). Moduliert man nun zur
merksamkeit gesorgt. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei
Bestimmung der Signallaufzeit die Betriebsfrequenz zwi-
nichtleitender Materialien gegenüber Terahertz-Wellen und
Neue Konzepte für die bildgebende TerahertzMaterialprüfung
zum anderen die Tatsache, dass Terahertz-Wellen im Gegen-
In der Nachrichtentechnik bezeichnet man die Nutzung
men großflächiger Messobjekte mit einer Auflösung von
satz zur Röntgenstrahlung nicht ionisierend sind. Doch für
mehrerer Sende- und Empfangsantennen mit dem Akronym
144 einzelnen Messpunkten pro Zeile inspizieren. Aus den
die Attraktivität einer Messmethode aus Sicht der Industrie
»MIMO« (Multiple Input Multiple Output, siehe Kasten).
Laufzeiten der von der Sensorik ausgesendeten und vom
sind andere Dinge ebenso relevant: Passt die Messgeschwin-
Diese Form der Signalverarbeitung hat sich in der Kommu-
Messobjekt zurückreflektierten Terahertz-Signale erhält
digkeit des Inspektionssystems zum Prozess? Lässt sich das
nikationstechnik bereits sehr bewährt. Fraunhofer IPM hat
man dann die gewünschten Tiefeninformationen und kann
System flexibel an unterschiedliche Aufgaben anpassen?
dieses Konzept nun erfolgreich in die bildgebende Terahertz-
Merkmale innerhalb des Messobjekts dreidimensional loka-
Mit anderen Worten: Die Herausforderungen bei der
Messtechnik übertragen. Das neu entwickelte MIMO-Tera-
lisieren. Bisherige Systeme, die das Messobjekt Pixel für Pixel
Entwicklung einer markttauglichen Terahertz-Volumenin-
hertz-System verfügt über ein speziell ausgedünntes Array mit
mittels einer einzelnen Sensoreinheit abrastern, haben sich für
spektion liegen nicht allein darin, innere Materialstrukturen
mehreren Terahertz-Sendern und -Empfängern in Verbindung
Voruntersuchungen und Stichprobenmessungen bereits bes-
in Form von Tiefenschnittbildern aussagekräftig darzustel-
mit einer sehr schnellen computergestützten Bildrekon-
tens bewährt. Die zeilenförmige Sensoranordnung des neu
len. Genauso wichtig sind eine schnelle Signalverarbeitung
struktion. Dieser neue Ansatz der bildgebenden Terahertz-
entwickelten MIMO-Terahertz-Systems erlaubt in Verbindung
und ein Gesamtsystemdesign, das sich zum Einsatz in der
Messtechnik ist für die Industrie hochinteressant, da auf diese
mit einem Fließband jetzt auch eine schnelle Inspektion des
Produktionsumgebung eignet. Um das zu erreichen, nutzt
Weise eine schnelle Volumeninspektion großflächiger Objekte
Messobjekts in der Prozesskontrolle. Die spezielle Messtech-
Fraunhofer IPM nicht nur sein exzellentes Know-how in der
mit hoher Tiefenauflösung direkt im Prozess durchgeführt
nik reduziert sowohl den Einsatz teurer Sensorelemente als
Terahertz-Messtechnik, sondern profitiert auch von alter-
werden kann. Die hier verwendete Bildgebungstechnik auf
auch die Komplexität des gesamten Systems auf das Nötigste.
Gründe: Zum einen die gute Transparenz vieler elektrisch
28
Dr. Fabian Friederich, Telefon +49 631 2057 40-08, [email protected]
schen 75 GHz und 110 GHz, so lässt sich daraus das Volu-
29
M AT E R I A L C H A R A K T E R I S I E R U N G U N D - P R Ü F U N G
1 Links: Beaufschlagt man z. B. ein Zwei-
1
schichtsystem mit Terahertz-Wellen (blauer
Terahertz-Mehrschichtanalyse
Pfeil), so werden die Wellen an den Grenz-
Bei der Schichtdickenmessung mit der Terahertz-Zeitbereichs-
flächen aufgrund des Brechungsindexunter-
spektroskopie nutzt Fraunhofer IPM die Tatsache aus, dass der
schieds (n1≠n2) teilreflektiert. Rechts: Aus den
einfallende Terahertz-Strahl bei Materialübergängen teilweise
Laufzeitunterschieden der reflektierten Wel-
reflektiert wird (Bild 1). Im einfachsten Fall erhält man zwei
len ∆t1 und ∆t2 lassen sich dann die Schichtdi-
Reflexe: einen ersten vom Übergang Luft-Beschichtung und
cken d1 und d2 bestimmen.
einen zweiten vom Übergang Beschichtung-Substrat. Aus der
Zeitdifferenz zwischen den beiden Reflexen und mit Kenntnis des Brechungsindex kann daraus dann die Schichtdicke
OPTISCHE TERAHERTZ-MESSTECHNIK
Zerstörungsfreie Mehrschichtanalyse im Sekundentakt
2 Fraunhofer IPM stellt selbstentwickelte
bestimmt werden. Besteht die Beschichtung aus mehreren
Terahertz-Sende- und Empfangseinheiten
Schichten, so erscheinen zwischen den beiden oben genann-
her und setzt diese in der zerstörungsfreien
ten Reflexen weitere Reflexe, die auch die Analyse komplizier-
Mehrschichtanalyse ein.
ter Mehrschichtsysteme erlauben. In der Praxis bekommt der
Anwender von der Auswertung nur wenig mit. Eine benutzerfreundliche Software übernimmt die komplette Auswertung. Kalibriert wird das System an definierten Referenzproben. Das Messergebnis liegt bereits innerhalb einer Sekunde
vor, wobei die Auswertung der Messung parallel zur darauf-
Die Dicke von Schichten auf nicht-metallischen Substraten wird in der Regel
zerstörend gemessen. Terahertz-Wellen, die im Spektrum zwischen Infrarotlicht
und Mikrowellen liegen, sind oft die bessere Alternative: Sie werden an Grenzflächen reflektiert, an denen sich der Brechungsindex ändert. Aus den Laufzeitunterschieden der reflektierten Teilwellen lässt sich dann die Schichtdicke bestimmen – auch und vor allem bei komplizierten Mehrschichtsystemen.
Warum ist das Wissen um Schichtdicken für die Industrie so
Doch immer häufiger wird die Dickenkontrolle der Einzel-
wichtig? Ein Beispiel: Flugzeuge werden heutzutage nach-
schichten innerhalb eines Mehrschichtsystems gefordert.
einander mit mehreren Schichten Lack überzogen: zuerst
Aufwändige Mehrschichtlackierungen werden vor allem im
mit Primer, der direkt auf das Bauteil aufgetragen wird,
Flugzeug- und im Automobilbau eingesetzt. Darüber hinaus
dann mit Basislack und zum Schluss mit Klarlack. Am Ende
werden inzwischen viele weitere Produkte durch Beschich-
der Prozedur trägt ein großes Verkehrsflugzeug bis zu einer
tungen veredelt. Hierzu zählen so unterschiedliche Dinge wie
halben Tonne Farbe. Auch diese Schichten fliegen mit und
Rotor- und Turbinenblätter, Schiffsrümpfe oder auch Tablet-
erhöhen den Treibstoffverbrauch. Bislang werden Flugzeug-
ten. Im Hinblick auf Ressourcenschonung und Qualitätskon-
teile deshalb vor und nach dem Lackieren gewogen. Wurde
trolle ist die Industrie in all diesen Fällen sehr stark an einer
versehentlich zu viel Lack aufgetragen, kostet das nicht nur
Messtechnik interessiert, die Einzelschichtdicken in Multi-
wertvolle Produktionszeit, sondern vor allem auch Geld.
schichtsystemen erfassen kann. Besonders die Analyse von
Mehrschichtsystemen auf Kunststoffsubstraten wird immer
folgenden Messung erfolgt. So steht sowohl für die Messung, als auch für die Auswertung jeweils eine Sekunde zur
Verfügung. Dabei beträgt die erreichbare Messgenauigkeit in
Abhängigkeit vom jeweiligen Schichtsystem etwa ±1 µm. Das
ist für viele Anwendungen bereits optimal.
SELBST KOMPLIZIERTE
SCHICHTSYSTEME lassen sich
Mehrschichtanalyse ist entscheidend
wichtiger, da diese Materialien verstärkt eingesetzt werden,
Die Lösung ist hier eine zerstörungsfreie und berührungslose
um Gewicht und Kosten zu reduzieren. Aktuell kann als ein-
mithilfe der Terahertz-Messtech-
Terahertz-Mehrschichtanalyse. Mit ihr lässt sich die Schicht-
ziges Messverfahren nur die Terahertz-Messtechnik im indus-
nik sicher analysieren. Als Träger-
dicke auf nahezu jedem Werkstoff überwachen – und zwar
trierelevanten Dickenbereich von 10 – 500 µm Einzelschichten
substrat sind Metalle, Kunststoffe
schon während des Lackierens. Dabei wird die Dicke jeder
in Mehrschichtsystemen zerstörungsfrei und berührungslos
einzelnen Lackschicht so exakt erfasst, dass sich anhand die-
nachweisen. Dies hat Fraunhofer IPM in Zusammenarbeit mit
ser Parameter die Lackieranlage steuern lässt. Bisher genügte
verschiedenen industriellen Partnern unter anderem aus dem
es meist, die Gesamtdicke einer Beschichtung zu erfassen.
Automotive-Bereich bereits gezeigt.
30
Dr. Frank Ellrich, Telefon +49 631 2057 40-04, [email protected]
aber auch Kohlenfaserverbundwerkstoffe bestens geeignet.
2
31
M AT E R I A L C H A R A K T E R I S I E R U N G U N D - P R Ü F U N G
3 Vergleichsmessungen des Streuparameters S21
an einem Leistungsverstärker (MPA) im Bereich
von 220 GHz bis 330 GHz. Die rote Kurve wurde
mit einem kommerziellen Vektornetzwerk1 + 2 Beim Terahertz-Netzwerkanalysator »Tera-
analysator (VNA) gemessen, die blaue Kurve
VNA« lassen sich die Terahertz-Pulse hohlleitergebun-
mit dem »Tera-VNA«, der auf dem Prinzip der
den auf das zu untersuchende Bauteil übertragen.
Zeitbereichsspektroskopie (TDS) basiert.
1
2
TERAHERTZ-OPTO-ELEKTRONIK
Vielseitig und exakt: der Netzwerkanalysator »Tera-VNA«
Die Hochfrequenzelektronik entwickelt sich ständig weiter – vor allem die
Fortschritte in der Kommunikationstechnik sind rasant. Fraunhofer IPM
sorgt dafür, dass die dafür notwendige Messtechnik das hohe Entwicklungstempo mitgehen kann. Der neu entwickelte Terahertz-Netzwerkanalysator »Tera-VNA« arbeitet in einem viel größeren Frequenzbereich
als herkömmliche Netzwerkanalysatoren – und das sehr exakt.
3
Der Terahertz-Netzwerkanalysator »Tera-VNA« kann bei viel
höheren Frequenzen messen als es heute übliche Netzwerkanalysatoren können. Darüber hinaus lassen sich sogar die
Laufzeiten der Pulse durch ein Netzwerk direkt bestimmen.
Nicht sichtbare Fehler oder Stoßstellen im Netzwerk können
Zur optimalen Dimensionierung und Berechnung elektronischer
Pulse hohlleitergebunden auf das zu untersuchende Bauteil
so direkt detektiert und deren Positionen direkt identifiziert
Systeme benötigen Elektroniker verlässliche und möglichst ex-
übertragen lassen. Nachdem die Pulse das Bauteil durchlaufen
werden. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Entwicklung
akte Angaben zu den sogenannten Streuparametern (S-Para-
haben, können diese dann im Zeitbereich optisch detektiert
neuer Hochfrequenzelektronik.
metern). Diese beschreiben das Verhalten linearer elektrischer
werden. Nach der Übertragung der so gewonnenen Daten in
Bauteile, Komponenten und Netzwerke mittels Wellengrößen.
den Frequenzbereich lassen sich daraus dann die gewünschten
Marktübliche Netzwerkanalysatoren messen diese Werte im
vektoriellen S-Parameter des zu untersuchenden Bauteils bestim-
Frequenzbereich. In den letzten Jahren konnte die Bandbreite
men. Dies konnte für Frequenzen von 100 GHz bis 2 THz gezeigt
solcher Geräte auf bis zu 1,1 Terahertz (THz) angehoben wer-
werden. Die neue Technologie bietet eine Vielzahl von Vorteilen
den. Doch das reicht bei weitem nicht aus: Elektronische Bau-
gegenüber der klassischen Netzwerkanalyse im Frequenzbereich.
teile arbeiten heute inzwischen in so hohen Frequenzbereichen,
VEKTORIELLE NETZWERKANALYSATO-
dass die herkömmliche Messtechnik an ihre Grenzen stößt. Mit
Vorteile der Methode
dem Terahertz-Netzwerkanalysator »Tera-VNA« verdoppelt
Im Vergleich zu heute üblichen elektronischen Netzwerkanalysa-
Fraunhofer IPM nun den erreichbaren Frequenzbereich. Der
toren erlaubt die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie die Arbeit
Trick dabei: »Tera-VNA« misst die gewünschten S-Parameter
mit sehr hohen Bandbreiten bei relativ günstigen Systempreisen.
in der Produktion. In der Hochfrequenzelek-
nicht im Frequenzbereich, sondern im Zeitbereich.
Ein weiterer Pluspunkt des »Tera-VNA« ist, dass für den Wechsel
tronik bestimmt man damit die Streupara-
zwischen verschiedenen Frequenzbändern nur jeweils die Hohl-
meter von Komponenten oder Netzwerken,
Messen im Zeitbereich
leiterkomponenten bzw. Tastköpfe getauscht werden müssen.
»Tera-VNA« basiert – wie der Name schon andeutet – auf der
Bei elektronischen Netzwerkanalysatoren müssen stattdessen
Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie. Für diese Anwendung
für unterschiedliche Frequenzbänder oft ganz unterschiedliche
wurde das System so weiterentwickelt, dass sich die Terahertz-
Messgeräte eingesetzt werden.
32
Dr. Christoph Kaiser, Telefon +49 631 2057 40-06, [email protected]
REN (VNA) benötigt man zur Entwicklung
elektrischer Schaltungen oder als Prüfmittel
um deren Verhalten mittels Wellengrößen
beschreiben zu können.
33
GESCHÄFTSFELD
O B J E K T- U N D F O R M E R FA S S U N G
Objekt- und Formerfassung
Im Geschäftsfeld »Objekt- und Formerfassung« erfassen wir
die dreidimensionale Geometrie und Lage von Objekten in
»Wir scannen schnell, genau
und augensicher«
der Umgebung. Dazu entwickeln wir nicht nur Laserscanner,
sondern auch maßgeschneiderte Beleuchtungs- und KameraSysteme. Diese Geräte messen mit hoher Geschwindigkeit und
Präzision insbesondere von bewegten Plattformen aus. Besonderes Augenmerk liegt auf der Robustheit und langen Lebensdauer der Systeme sowie einer effizienten Datenauswertung.
Objekte und Formen werden über einen weiten Größenbereich
erfasst: von zehntel Millimetern bis in den 10-Meter-Bereich.
Die Messsysteme sind weltweit im Einsatz – zur Überwachung
von Bahninfrastruktur ebenso wie zur Vermessung von Stra-
THEMEN
ßenoberflächen. Ein neuer Anwendungsbereich ist die mobile
Datenerfassung aus der Luft und im Wasser.
Verkehr und Logistik
Laser Scanning
3D-Vermessung von Zügen und Bahnstrecken
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung optischer Messsysteme basierend auf Lichtlaufzeitmessung, die es erlauben,
Untersuchung von Straßenoberflächen
mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision Abstand und
Geometrie von Objekten zu vermessen. Die Systeme sind welt-
mobile Zustandsüberwachung aus der Luft
weit auf ganz unterschiedlichen Anwendungsgebieten im
Einsatz.
Erfassung von Unterwassergroßstrukturen
KOMPETENZEN
3D-Laserscanner, 3D-Kameras, 3D-Datenverarbeitung
Erfassung bewegter Objekte auch bei hohen Geschwindigkeiten
schnelle Bildauswertung
robuste Systemtechnik
KONTAKT
Dr. Heinrich Höfler, Abteilungsleiter
Telefon +49 761 8857-173, [email protected]
PD Dr. Alexander Reiterer
Laser Scanning
Telefon +49 761 8857-183, [email protected]
34
Laserscanner erfassen das Lichtraumprofil
von Bahngleisen – schnell und genau.
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O B J E K T- U N D F O R M E R FA S S U N G
LASER SCANNING
Der Laserscanner erkennt bereits kleinste Unregelmäßig-
Exakte Schienenmessung per Laser
keiten, denn diese können gefährlich werden: Schienen stehen unter großer Spannung, sie könnten sprunghaft aufbrechen und einen regelrechten Dominoeffekt erzeugen – im
MESSUNGEN PER LASERSCANNER
Fraunhofer IPM entwickelt neben dem
Rail Track Scanner RTS weitere optische
Laserscanner haben viele Vorteile gegenüber
Kamerasystemen, wenn es um die Vermessung der Bahninfrastruktur geht. Mit dem
Rail Track Scanner RTS steht nun erstmals ein
Scanner zur Verfügung, der ein detailreiches
Abbild von Schienen, Schienenkopf, Schwellen und Gleisbett liefert.
Systeme zur Messung von Fahrdrahtabnutzung, Fahrdrahtlage, Lichtraumprofil,
Mastenposition sowie zur Erfassung der
Geometrie fahrender Züge.
schlimmsten Fall reißen Schienen und Bahnschwellen über
weite Strecken.
Messunsicherheiten von weniger als einem
Millimeter
Ein spezieller optischer Aufbau erlaubt die Montage des
schuhkartongroßen Scanners auf einem beliebigen Schienenfahrzeug in einem Abstand von nur 1,2 Metern über
dem Gleisbett. Der Laser scannt die Gleise quer zur Vorwärtsbewegung des Messfahrzeugs über eine Breite von
zirka 1,7 Metern. Mit bis zu 800 Profilen und zwei Millionen
Messungen pro Sekunde entsteht ein detailreiches dreidi-
Damit die Reise mit der Bahn sicher bleibt, wird die Schie-
mensionales Abbild der Schienen und der damit unmittel-
neninfrastruktur regelmäßig auf Schäden überprüft. Doch
bar verknüpften Infrastruktur. Aus der so generierten Punkt-
das ist keine leichte Aufgabe: Allein Deutschland hat ein
wolke werden mit geeigneten Algorithmen Parameter wie
Schienennetz von mehr als 40 000 Kilometern.
Abstand, Höhe und Neigung der Schiene oder die Geometrie des Schienenkopfes extrahiert und mit Soll-Profilen
Weichen, Schwellen und Schienen werden zur Kontrolle
verglichen. Die Scanfrequenz kann flexibel an die jeweilige
heute in der Regel mit kamerabasierten Systemen erfasst.
Aufgabenstellung angepasst werden. Topografische Struk-
Dies birgt einige Nachteile: Die Systeme funktionieren
turen bzw. Strukturänderungen werden mit einer Messunsi-
nur bei ausreichendem Umgebungslicht oder künstlicher
cherheit von kleiner als einem Millimeter zuverlässig erfasst.
Beleuchtung. So messen die Systeme vorzugsweise bei Tag,
Ein weiterer großer Vorteil: Der RTS arbeitet mit einem
also dann, wenn das Schienennetz ohnehin stark ausgelas-
augensicheren Infrarot-Laser und ist deshalb ohne Einschrän-
tet ist und Messzüge die Taktung zusätzlich erschweren.
kungen auch im öffentlichen Bereich einsetzbar.
Der neue Rail Track Scanner arbeitet unabhängig vom
Umgebungslicht. Er erfasst die Geometrie von Schienen,
Fraunhofer IPM präsentierte den Rail Track Scanner im Sep-
Schienenkopf, Schwellen und Schienenbett und erlaubt
tember 2014 auf der Innotrans in Berlin als Weltneuheit. Der
eine automatisierte Datenauswertung – und dies schnell,
RTS wird nun erstmals zur messtechnischen Beurteilung von
zuverlässig und mit der nötigen Präzision.
Schmalspurstrecken in der Schweiz eingesetzt.
2
1 Der Rail Track Scanner
2 Ergebnis einer Messfahrt: Auf der horizontalen Achse ist der Abstand von der Gleisachse aufgetragen, in vertikaler Richtung das ent-
prüft das Schienennetz mit
sprechende Höhenprofil, das gleichzeitig auch die Form des Gleisbetts und der Schienen darstellt. Ausgezeichnet zu erkennen sind die
einer Messunsicherheit von
zwei Schienen mit den entsprechenden Schienenköpfen, dazwischen die raue Oberfläche des Schotterbetts. Farblich codiert sind die
weniger als einem Millimeter.
1
verschiedenen Objekte dargestellt. Deutlich zu erkennen ist das kleine Messrauschen und die hohe Anzahl von Messpunkten.
PD Dr. Alexander Reiterer, Telefon +49 761 8857-183, [email protected]
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GESCHÄFTSFELD
GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE
Gas- und Prozesstechnologie
»Wir messen präzise – auch
unter extremen Bedingungen«
Im Geschäftsfeld »Gas- und Prozesstechnologie« entwickelt
und fertigt Fraunhofer IPM Mess- und Regelsysteme nach
kundenspezifischen Anforderungen. Kurze Messzeiten, hohe
Präzision und Zuverlässigkeit, auch unter extremen Bedingungen, zeichnen diese Systeme aus. Zu den Kompetenzen ge-
THEMEN
hören unter anderem laserspektroskopische Verfahren für die
Gasanalytik, energieeffiziente Gassensoren, Partikelmesstech-
Gasmesstechnik
nik sowie thermische Sensoren und Systeme. Die Bandbreite
der Anwendungen ist groß: Sie reicht von der Abgasanalyse
Partikelmesstechnik
über die Transportüberwachung von Lebensmitteln bis hin zu
Sensoren und Systemen zur Messung kleinster Temperatur-
thermische Messtechnik
unterschiede.
robuste Gesamtsysteme
Integrierte Sensorsysteme
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung, Konzeptionierung, Charakterisierung und Herstellung funktionaler Oberflä-
KOMPETENZEN
chen, miniaturisierter Gassensoren und kompakter Gasmesssysteme. Dazu werden Gassensortechnologie und Elektronik in
Spektroskopie von EUV bis MIR, Laserspektroskopie
kompakten und kostengünstigen Mikrosystemen kombiniert.
Gassensorik
Thermische Messtechnik und Systeme
Die Gruppe entwickelt kundenspezifische Substrate, thermi-
thermische Sensorik
sche Sensoren und Systeme aus unterschiedlichen Materialien.
Flexible Substrate ermöglichen die Messung kleinster Tempera-
Mikrosystemtechnik
turunterschiede mittels sogenannter Kalorimeterchips oder die
Bestimmung unterschiedlichster Materialparameter wie der
Simulation
thermischen und elektrischen Leitfähigkeit mittels aufpressbarer Messstrukturen.
KONTAKT
Spektroskopie und Prozessanalytik
Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein, Abteilungsleiter
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung spektrosko-
Telefon +49 761 8857-134, [email protected]
pischer Systeme zur Detektion und Analyse von Gasen,
Dr. Marie-Luise Bauersfeld
Flüssigkeiten und Festkörpern. Dabei nutzt die Gruppe ihre
Integrierte Sensorsysteme
langjährige Erfahrung in der Abgas-, Brenngas- und Partikel-
Telefon +49 761 8857-290, [email protected]
messtechnik.
Martin Jägle
Thermische Messtechnik und Systeme
Telefon +49 761 8857-345, [email protected]
Dr. Raimund Brunner
Spektroskopie und Prozessanalytik
Telefon +49 761 8857-310, [email protected]
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Ein kompaktes Infrarot-Spektrometer
überwacht die optimale Verteilung von
Löschgasen in Brandlöschsystemen.
39
GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE
1 Das Sensorsystem misst die austretenden
flüchtigen organischen Verbindungen, rela-
2 Schon die Wikinger nutzten den kalten
tive Feuchte, Temperatur, Gewichtsverände-
Wind an den Küsten Nordnorwegens zum
rung sowie die Farbe der Fischaußenhaut.
2
Trocknen und Konservieren von Kabeljau.
1
INTEGRIERTE SENSORSYSTEME
Sicherheit in der
Lebensmittelproduktion
Die Nachfrage nach qualitativ hochwertigem Stockfisch steigt weltweit –
besonders in Südeuropa. Um den größer werdenden Bedarf an dieser
Spezialität abdecken zu können, wandelt sich die Stockfisch-Produktion
derzeit vom Wikinger-Handwerk zur Hightech-Produktion. HalbleiterGassensoren von Fraunhofer IPM spielen dabei eine zentrale Rolle.
DAS EU-PROJEKT »Safe Track Food – Development of a novel Industrial Fish Drying and
Maturing Process to secure Seafood Safety,
Traceability and Quality« hat das Ziel, einen
industriellen Trocknungsprozess für Fisch zu
entwickeln, der eine gleichbleibende Qualität
ermöglichen soll. www.safetrackfood.eu
bungslos verläuft und der Fisch während der Reifung nicht
verdirbt. Aus bestimmten Gaszusammensetzungen lässt
sich ableiten, dass der Fisch verzehrfertig ist. Eine besonde-
Das Trocknen von frischem Fisch ist eine uralte Form des
zu erreichen, wird der natürliche Stockfisch-Trockenprozess
re Herausforderung an das Sensorsystem ist die Detektion
Konservierens. Schon die Wikinger nutzten den kalten
in die Fabrik übertragen. Dort wird der Fisch bei 4 °C bis
des während der Trocknung entstehenden Fischgeruchs.
Wind an den Küsten Nordnorwegens, um frischen Kabeljau
8 °C getrocknet. Fraunhofer IPM hat zur Qualitätsüberwa-
Das System muss selbst bei erheblicher Geruchsentwick-
auf Holzgestellen zu trocknen und so als Stockfisch haltbar
chung der verschiedenen Stadien während des Trocknens
lung und damit einhergehenden hohen Konzentrationen
zu machen. Doch diese Prozedur ist nicht sehr effizient: Der
ein Sensorsystem entwickelt, das aus zwei Einheiten be-
der jeweils austretenden Gase, wie etwa Ammoniak, noch
Fisch kann nur in dem kurzen Zeitraum von Februar bis Mai
steht: Die Sensoreinheit misst direkt im Trocknungsofen die
präzise messen und keine Sättigungseffekte zeigen. Auch
getrocknet werden. Bis zu 40 Prozent der Tiere verderben,
austretenden flüchtigen organischen Verbindungen, relative
die Umgebungstemperatur, die hohe Luftfeuchte und die
häufig aufgrund von Insektenbefall: Wird es wärmer, steigt
Feuchte, Temperatur, Gewichtsveränderung sowie die Farbe
mechanische Beanspruchung stellen große Herausforderun-
die Gefahr, dass Insekten Eier in den Fisch ablegen. Au-
der Fischaußenhaut. Die Auswerte- und Kontrolleinheit
gen an das Sensorsystem dar.
ßerdem kann es während des Trocknens zu einem uner-
steht außerhalb der Klimakammer und zeichnet die in der
wünschten Bakterienwachstum auf dem Fisch kommen,
Kammer gewonnenen Daten auf. Diese werden anschlie-
Experte für Lebensmittelkontrolle
was zu massiven Geruchsentwicklungen führt. Siedeln sich
ßend an eine Online-Plattform übertragen.
Fraunhofer IPM griff bei der Entwicklung dieses neuarti-
die »falschen« Bakterien an, wird der Fisch ungenießbar.
gen miniaturisierten Geruchs- und Gas-Messsystems für
Halbleiter-Gassensoren überwachen die Trocknung
die industrielle Stockfischproduktion auf seine langjährige
In dem von der EU geförderten Projekt »Safe Track Food«
Der komplexe Aufbau, der aus Metalloxid-Gassensoren und
Erfahrung und Kompetenz in der Mikrosystemtechnik und
entwickelt Fraunhofer IPM gemeinsam mit Partnern aus
vielen weiteren Sensoren besteht, ist in der Lage, das jewei-
Gassensor-Technologie zurück. Die Wissenschaftlerinnen
Forschung und Industrie einen neuen, wetterunabhängi-
lige Trocknungsstadium des Fisches genau zu bestimmen.
und Wissenschaftler des Instituts entwickeln regelmäßig
gen, industriellen Trocknungsprozess für Fisch, der nicht
Außerdem detektiert das System das Ausströmen flüchtiger
kleine, leichte und flexible Sensorsysteme für all jene Berei-
nur schneller und dadurch effizienter als bisherige Verfah-
Verbindungen – qualitativ und quantitativ –, die während
che in der Lebensmittelindustrie, in denen eine lückenlose
ren ist, sondern auch eine gleichbleibende Qualität und da-
des Reifungsprozesses entstehen. Diese ausströmenden
Überwachung zur Qualitätskontrolle notwendig ist.
durch deutlich weniger Ausschuss ermöglichen soll. Um das
Gase geben Aufschluss darüber, ob die Trocknung rei-
40
Dr. Marie-Luise Bauersfeld, Telefon +49 761 8857-290 , [email protected]
41
GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE
einfaches Aufpressen auf die glatte Oberfläche eines Werkstücks. Das Werkstück muss dazu nicht extra bearbeitet werden, wie bei herkömmlichen Messmethoden, sondern bleibt
1 Der Messkopfaufsatz lässt sich
BIEGSAME SENSOREN mes-
vollkommen intakt. Durch Austausch des Folien-Messkopfauf-
einfach austauschen, um unter-
sen physikalische Parameter
satzes lassen sich weitere Parameter wie Ladungsträgerart,
schiedliche Parameter zu messen.
wie Temperatur, elektrische
Seebeck-Koeffizient oder die thermische und elektrische
und thermische Leitfähigkeit,
1
Wärmekapazität, SeebeckKoeffizient, Lorenz-Zahl oder
auch Porosität.
THERMISCHE MESSTECHNIK UND SYSTEME
Kapazität eines Materials bestimmen. Der Messkopf kann
je nach Anwendung individuell auf das zu untersuchende
Material, einzelne Messparameter und die Beschaffenheit des
Werkstücks zugeschnitten werden.
»Thermisches Ultraschallbild«
Messen mit Druck: Stempel
vereinfacht Materialmessung
Eine sehr schwierig zu bestimmende Größe wie die thermische
Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit gleichzeitig messen –
ohne Probenvorbereitung. Dies ermöglicht ein neuartiges folienbasiertes
Messkonzept, bei dem ein Messkopf durch einfaches Aufdrücken auf die
Probe mit der Oberfläche des Materials kontaktiert wird.
leitet. Die Eindringtiefe dieser Wellen unterscheidet sich je nach
Leitfähigkeit kann so im laufenden Prozess an Werkstücken
überprüft werden. Dabei setzen die Wissenschaftler auf die
sogenannte 3-Omega-Methode: Eine in der Messfolie enthaltene Heizerstruktur wird mit einem Wechselstrom der Frequenz
Omega beaufschlagt. Aufgepresst auf einen Körper werden so
Wärmewellen mit der doppelten Frequenz in das Material geFrequenz, Material und Materialdicke. Die hierbei verursachte
Temperaturerhöhung hängt von den thermischen Materialeigenschaften und der Frequenz ab und kann über die Änderung
des Widerstands der Heizerstruktur gemessen werden.
Besteht das untersuchte Werkstück aus mehreren Lagen
Seit mehreren Jahren arbeitet Fraunhofer IPM an der Ent-
Teilen der Messstruktur und Probe. Aufgebracht auf einen
verschiedener Materialien oder aus einem Verbundwerkstoff
wicklung flexibler Sensoren. Die Flexibilität dieser Sensoren
flexiblen Messkopfaufsatz misst der Sensor die elektrische
kann so quasi ein »thermisches Ultraschallbild« erzeugt wer-
gilt im doppelten Sinn: Anpassungsfähig, was die Messaufga-
und thermische Leitfähigkeit ohne Probenvorbereitung durch
den, sofern sich die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Kom-
be betrifft, und biegsam sollen Sensoren der neuen Genera-
ponenten unterscheidet. Lufteinschlüsse sowie delaminierte
tion sein. Verschiedene elektronische Sensoren auf flexiblen
Schichten können grundsätzlich ebenso detektiert werden. Die
Kunststoff-Substraten wie Polyimid- oder PET-Folien wurden
3-Omega-Methode ist nicht auf die Messung fester Werkstoffe
bereits entwickelt. Diese »Messpflaster« sind grundsätzlich
beschränkt, sondern eignet sich auch zur Messung von Gasen
in der Lage, eine große Bandbreite an physikalischen Größen
oder Flüssigkeiten.
simultan zu bestimmen – von einfachen Temperaturmessungen über die Messung elektrischer oder thermischer Leitfä-
Der Messkopf selbst hat in etwa die Größe eines Stifts und
higkeit und der Wärmekapazität bis hin zur Bestimmung von
kann so sehr einfach an einen Roboterarm angeflanscht
Parametern wie Seebeck-Koeffizient, Lorenz-Zahl oder der
werden. Falls die Integration aller notwendigen
Porosität hinreichend glatter Oberflächen von Festkörpern.
Messstrukturen für eine Multi-Parametermes-
In Flüssigkeiten messen flexible »elektronische Zungen« pH-
sung in einem Kopf nicht möglich ist, können
Wert, Dichte oder Viskosität durch einfaches Eintauchen.
mehrere Messköpfe gleichzeitig an einem Werkstück
eingesetzt werden. Auch hier ist Flexibilität gefragt.
Messen durch Pressen
Neueste Entwicklung in der flexiblen Messtechnik ist ein Material-Messstempel. Die Messstrukturen sind in eine flexible
Kunststofffolie aus Polyimid (Kapton) integriert. Dies gelingt
mithilfe der Dünnschichttechnik. Eine Isolationsschicht, ebenfalls aus Polyimid, dient zur elektrischen Isolierung zwischen
42
2
3 Messchip aus Kunststofffolie mit Messstrukturen. Die Chips werden auf Waferbasis
2 Durch einfaches Aufpressen misst der Sensor die elektrische
hergestellt und anschließend vereinzelt.
und thermische Leitfähigkeit eines Materials. Das Werkstück
bleibt intakt.
Martin Jägle, Telefon +49 761 8857-345, [email protected]
3
43
GAS- UND PROZESSTECHNOLOGIE
1 Optische Spektrometer mit Quantenkaskadenlasern können Lachgas sehr
empfindlich nachweisen.
FRAUNHOFER IPM nutzt in der
1
Gas- und Prozesstechnologie eine
Vielfalt an spektroskopischen
Methoden. Neben der Laser-
S P E K T R O S K O P I E U N D P R O Z E S S A N A LY T I K
Quantenkaskadenlaser für
die schnelle Abgasanalytik
Die europäischen Emissionsgesetze werden immer strenger, sowohl für die
Industrie als auch für die Automobilbranche. Klimaschutz kann nur funktionieren, wenn die Luftverunreinigung durch Autoabgase stetig verringert wird.
Zur Entwicklung abgasärmerer Motoren hat Fraunhofer IPM eine zuverlässige
Abgasmesstechnik entwickelt. Mit ihr lässt sich insbesondere auch das sehr
klimaschädliche Lachgas detektieren. Das System basiert auf der Infrarot-Absorptionsspektroskopie mit Quantenkaskadenlasern als Lichtquelle in Verbindung mit einer speziell ausgelegten Probenahme.
spektroskopie gehören klassische
eingesetzte QCL-Analysator ist hochselektiv gegenüber den
Verfahren wie Fourier-Transform-
restlichen Komponenten in der vorliegenden Gasmatrix,
IR-Spektroskopie (FTIR), Photomet-
wie sie im Abgas von Verbrennungsmotoren typischerweise
rie, Filter-, UV- und Raman-Spektro-
auftritt.
skopie sowie Photoakustik dazu.
Quantenkaskadenlaser sind Halbleiterlaser für Wellenlängen
im mittleren Infrarot (MIR). Anders als andere im MIR emittierende Laser besitzt der QCL eine vergleichsweise hohe
Ausgangsleistung und arbeitet auch bei Raumtemperatur
– aufwändiges Kühlen ist nicht erforderlich. Das Stabilisieren
der Lasertemperatur und damit der Emissionswellenlänge
erfolgt über ein gewöhnliches Peltierelement mit entsprechender Lüftung. Die Regelung ist für Laserarbeitspunkte
zwischen –30 °C und +30 °C ausgelegt.
Industrietaugliche Systeme für Automobilhersteller
Bei der Entwicklung des N2O-Abgasmesssystems konnten
die Wissenschaftler am Institut auf langjährige Erfahrungen
Schärfere Abgasgesetze führten schon in den vergangenen
Das Gas, auch als Distickstoffmonoxid bekannt, entsteht
in der Abgasmesstechnik zurückgreifen: Bereits mit dem
Jahrzehnten dazu, dass eine ganze Reihe neuer Technolo-
hauptsächlich beim Abbau von mineralischem Stickstoff-
QCL-basierten Abgasanalysator DEGAS (Dynamic Exhaust
gien zur Emissionsreduktion eingeführt wurden. Auch die
dünger im Boden, aber auch bei der Verbrennung von
Gas Analyser System) für einen großen Automobilhersteller
Abgasnachbehandlung wurde zunehmend komplexer. Zwar
Treibstoff im Ottomotor. Konventionelle Technologien, die
hatte Fraunhofer IPM im Jahr 2002 ein industrietaugliches
konnten schon mit den ersten 3-Wege-Katalysatoren große
man bisher für Messungen von N2O eingesetzt hat – wie
Messsystem für den schnellen, empfindlichen und selekti-
Erfolge erzielt werden, doch nach wie vor beschäftigt der
die nichtdispersive Infrarottechnologie (NDIR) oder elektro-
ven Nachweis von Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid und
Ausstoß unerwünschter Gase Wissenschaftler und Auto-
chemische Gassensoren – sind entweder nicht empfindlich
Stickstoffdioxid entwickelt. Mit DEGAS lässt sich die Kon-
mobilhersteller gleichermaßen – insbesondere in der Moto-
genug für heutige Messanforderungen, oder sie zeigen zu
zentration verschiedener Abgaskomponenten simultan mit
renentwicklung. Im Zuge dessen wird der Anspruch an die
starke Querempfindlichkeiten.
einer Zeitauflösung von fünf Millisekunden messen und das
Messgenauigkeit immer höher: Forderungen nach Nachwei-
gleichzeitig an bis zu vier Messstellen am Abgasstrang. Der
sen im Bereich von 10 ppb sind keine Seltenheit mehr
Ein von Fraunhofer IPM gemeinsam mit einem Industrie-
jetzt neu entwickelte QCL-Analysator ist für Messschrank-
(ppb = 1 Teil pro Milliarde).
partner entwickeltes optisches Spektrometer auf Basis von
Applikationen ausgelegt und daher wesentlich kompakter in
Quantenkaskadenlasern (QCL) ermöglicht nun erstmals eine
der Ausführung. Darüber hinaus soll er in der nächsten Aus-
Neue Technologie für extreme Messanforderungen
Abgasmessung, die den gestiegenen Ansprüchen genügt.
baustufe zwei Gaskomponenten simultan erfassen können.
Aktuelle Treibhausgas-Regelungen beispielsweise erfordern
Das Gasanalysegerät ist in der Lage, Lachgas in sehr niedri-
Der QCL-Analysator wird nicht nur in der Forschung und Ent-
Messungen von Lachgas (N2O) schon in sehr geringen Kon-
gen Konzentrationen zuverlässig nachzuweisen, und zwar
wicklung erfolgreich eingesetzt, sondern zunehmend auch
zentrationen von unter 1 ppm (ppm = 1 Teil pro Million).
im Bereich von 10 ppb bis 100 ppm (4 Dekaden). Der dafür
für Zertifizierungsmessungen an schadstoffarmen Motoren.
44
Dr. Raimund Brunner, Telefon +49 761 8857-310, [email protected]
2
2 Abgasärmere Motoren zu entwickeln gehört
noch immer zu den großen Herausforderungen
für Wissenschaft und Industrie.
45
GESCHÄFTSFELD
F U N K T I O N E L L E M AT E R I A L I E N U N D S Y S T E M E
Funktionelle Materialien und Systeme
»Bei uns macht das
Material den Unterschied«
Im Geschäftsfeld »Funktionelle Materialien und Systeme«
werden Materialien mit besonderen physikalischen Eigenschaften hergestellt und optimiert und daraus Systeme
entwickelt. Dazu zählen:
• magneto- und elektrokalorische Materialien für effiziente
und kältemittelfreie Wärmepumpen und Kühlsysteme.
• nichtlinear-optische Materialien, z.B. für die Entwicklung
neuartiger Laser mit durchstimmbarer Wellenlänge
• thermoelektrische Materialien zur direkten Wandlung von
THEMEN
Abwärme in elektrischen Strom z.B. im Pkw, bei Industrie-
effiziente, kältemittelfreie Kühlung
prozessen oder zum Betrieb kleiner energieautarker
Abwärmeverstromung
Sensorsysteme.
energieautarke Sensoren und Systeme
weit abstimmbare Laserlichtquellen für die Spektroskopie
Magnetokalorik und Elektrokalorik
Charakterisierung von optischen Materialien und Halbleitern
Die Gruppe »Magnetokalorik und Elektrokalorik« befasst
thermische Analyse von Dünnschichtsystemen und Massivmaterialien
sich mit der Entwicklung innovativer Kühlsysteme auf Basis
Entwicklung von Messsystemen und Auftragsmessungen zur
neuartiger magneto- und elektrokalorischer Materialien. Mit-
Bestimmung thermischer und elektrischer Materialeigenschaften
hilfe dieser Systeme können im Vergleich zu herkömmlichen
kompressorbasierten Kühltechniken effizientere und umweltfreundlichere Systeme komplett ohne schädliche Kältemittel
KOMPETENZEN
realisiert werden.
funktionelle Materialien:
– magneto- und elektrokalorisch
– nichtlinear-optisch
– thermoelektrisch
Nichtlineare Optik
Arbeitsschwerpunkt der Gruppe sind Materialien und
FEM-Simulationen
Methoden der nichtlinearen Optik. Es werden hochempfind-
thermisches Management (Heat-Pipes, Peltier)
liche Spektroskopieverfahren entwickelt und eingesetzt,
spezielle elektrische und thermische Kontaktierung
mit denen die Restabsorption hochtransparenter Materi-
Frequenzkonversion zur Lichterzeugung und -detektion
alien bestimmt werden kann – eine wichtige Eigenschaft
Messung geringster Absorptionen
von Komponenten für Hochleistungslaser und die nichtli-
Systemdesign und -entwicklung
neare Optik. Die langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet
der nichtlinear-optischen Frequenzkonversion werden für
die Entwicklung weit abstimmbarer Laserlichtquellen und
KONTAKT
empfindlicher Infrarot-Detektionssysteme eingesetzt.
Dr. Heinrich Höfler, Abteilungsleiter
Telefon +49 761 8857-173, [email protected]
Thermoelektrik
Dr. Kilian Bartholomé
Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung neuer thermo-
Magnetokalorik und Elektrokalorik
elektrischer Materialien und Bauelemente für verschiedene
Telefon +49 761 8857-238, [email protected]
Anwendungen – von Thermopile-Detektoren über Thermo-
Dr. Frank Kühnemann
generatoren bis hin zu Hochleistungs-Peltierkühlern. Das
Nichtlineare Optik
Spektrum der Gruppe umfasst neben der Materialforschung
Telefon +49 761 8857-457, [email protected]
Dr. Jan D. König
Thermoelektrik
Telefon +49 761 8857-329, [email protected]
46
Hochreine optische Kristalle sind
Voraussetzung für moderne
photonische Technologien.
die Entwicklung thermoelektrischer Module und Systeme,
deren Simulation sowie die Entwicklung kundenspezifischer
thermoelektrischer Messtechnik.
47
F U N K T I O N E L L E M AT E R I A L I E N U N D S Y S T E M E
1 Kältemittelfreie Kühltechnik wäre gerade im
Automobil oder Flugzeug von Vorteil. Hier sind
leicht entzündliche oder gesundheitsschädliche
Substanzen besonders unerwünscht.
MAGNETOKALORISCHE KÜH1
LUNG – DAS PRINZIP: Durch
Anlegen eines magnetischen
Feldes (H-Feld) wird das magneto-
MAGNETOKALORIK UND ELEKTROKALORIK
kalorische (MK) Material erwärmt
Cool: magnetische
Kühlung ohne Kältemittel
(Schritt 1). Das MK-Material wird
Rund um den Globus werden immer mehr Klimaanlagen installiert. Sie arbeiten meist mit klimaschädlichen Kältemitteln und benötigen zudem sehr viel
Energie. Magnetokalorische Kältetechnik könnte in Zukunft deutlich energieeffizientere Kühlsysteme ermöglichen, die ganz ohne Kältemittel auskommen.
magnetokalorischen (MK) Materialien. MK-Materialien sind
hohem Energiebedarf. Selbst im relativ kühlen Deutschland
magnetisierbare Materialien, die sich bei Einwirkung eines
1. Schritt
adiabatisch
TO
TO + T
Wärmeaufnahme
isotherm
Q
verbunden, sodass die entstande-
2. Schritt
Q
Wärmeabfuhr
ne Wärme (Q) abgeführt werden
isotherm
3. Schritt
kann (Schritt 2). Wird nun das ma-
H-Feld
Entmagnetisierung
gnetische Feld entfernt (Schritt 3),
adiabatisch
kühlt sich das MK-Material wieder
ab und befindet sich auf einer
H-Feld
Magnetisierung
dann mit einer Wärmesenke
TO - T
TO
2
niedrigeren Temperatur als zu
Beginn des Zyklus. Das MK-Material wird nun mit der zu kühlen-
Die Kältetechnik ist ein schnell wachsender Markt mit
4. Schritt
den Stelle verbunden und kann
Wärme (Q) aufnehmen (Schritt 4).
2 Das Prinzip der magnetokalorischen Kühlung
(Details siehe Kasten links).
sche Materialien sind in den vergangen Jahren deutlich
effizienter und preiswerter geworden. Für eine Industriali-
werden pro Jahr über 72 000 GWh Strom zur Kälteerzeu-
magnetischen Feldes erwärmen und bei Entfernen des Feldes
sierung müssen sie jedoch in großem Maßstab herstellbar
gung verbraucht. Das entspricht 14 Prozent des gesam-
entsprechend wieder abkühlen. So lässt sich ein Kühlzyklus
sein, Materialformgebung und Systementwicklung für den
ten Strombedarfs. Weltweit kommen jährlich mehr als
realisieren (Bild 2): Das erwärmte MK-Material wird mit einer
Aufbau von Kühlsystemen müssen entwickelt werden.
50 Millionen neue Klimaanlagen hinzu. Ganz gleich ob in
Wärmesenke verbunden, sodass Wärme abgeführt werden
Der Systemaufbau trägt entscheidend zur Kühlleistung
Gebäuden, in Fahrzeugen oder als Kühlschrank – nahezu alle
kann. Wird nun das magnetische Feld entfernt, kühlt sich
bei. Fraunhofer IPM greift beim thermischen Systemde-
heute verfügbaren Kältesysteme funktionieren nach dem
das Material wieder ab und befindet sich auf einer niedrige-
sign und der thermischen Anbindung von Komponenten
Kompressor-Prinzip, wobei die Wärme über den veränder-
ren Temperatur als zu Beginn des Zyklus. Das MK-Material
auf Erfahrungen aus dem Bereich der Thermoelektrik
ten Aggregatzustand eines Kältemittels abgeführt wird.
wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und kann
zurück. Wissenschaftler am Institut erforschen in diesem
Das Problem dabei: Alle Kältemittel weisen ein mehr oder
Wärme aufnehmen. Magnetokalorische Kühlsysteme
Zusammenhang, wie sich die Wärmeübertragung vom
weniger großes Treibhauspotenzial auf; manche wie zum
können im Vergleich zu kompressorbasierten Systemen bis
magnetokalorischen Material an das zu kühlende oder zu
Beispiel Ammoniak zusätzlich noch eine direkte Gesund-
zu 30 Prozent höhere Wirkungsgrade erzielen. Der Verzicht
erwärmende Medium optimieren lässt. Die eingesetzten
heitsgefährdung. Mit abnehmender Dichtheit des Kühlkreis-
auf Kältemittel erleichtert den Einsatz in mobilen Systemen
Techniken erzielen eine bis zu 1 000-fach höhere Wärme-
laufs entweichen diese Mittel früher oder später und müssen
wie Automobilen, Zügen oder Flugzeugen, wo der Einsatz
übertragung als dies z.B. durch reine Wärmeleitfähigkeit
kostspielig ersetzt werden. Zudem benötigen Kompres-
gesundheitsschädlicher oder leicht entzündlicher Substanzen
von Kupfer möglich wäre. So lassen sich bei gegebenen
soren viel Platz, sind laut und müssen gewartet werden.
problematisch ist. Dass die Systeme wartungsarm sind und
DER MAGNETOKALORISCHE
Temperaturdifferenzen grundsätzlich deutlich höhere
dazu geräuschlos funktionieren, ist ein zusätzliches Plus.
EFFEKT wurde bereits 1881 vom
Kühlraten erzeugen. Diese Wärmeübertragungstechniken
Vielversprechende Kältetechnik
Auf Basis des magnetokalorischen Effekts lassen sich be-
Systemaufbau entscheidet über Kühlleistung
sonders energieeffiziente Kühlsysteme entwickeln, die ganz
Noch sind magnetische Kühlsysteme Zukunftsmusik. Die
ohne Kältemittel auskommen. Sie basieren auf sogenannten
Aussichten jedoch sind vielversprechend: Magnetokalori-
48
Dr. Kilian Bartholomé, Telefon +49 761 8857-238, [email protected]
deutschen Physiker Emil Warburg
entdeckt.
sind zentrales Thema des Projekts MacCool, in dem eine
magnetokalorische Wärmepumpe zur energiesparenden,
kühlmittelfreien Temperaturstabilisierung von Elektrofahrzeug-Batterien entwickelt wird.
49
F U N K T I O N E L L E M AT E R I A L I E N U N D S Y S T E M E
1 + 2 Mit hochempfindlichen photoakustilässt sich die Qualitätskontrolle für optische
Genauigkeit durch Kombination: Photoakustik
plus photothermische Interferenzmessung
Materialien deutlich verbessern.
Photoakustische Messverfahren weisen die Absorption an-
schen und photothermischen Messverfahren
DIE BESTIMMUNG DER
1
Reine Optik: Restabsorption
präzise messen
Fraunhofer IPM hat zwei Verfahren zur Messung der Reinheit optischer
Gläser optimiert – und forscht damit auf dem ureigenen Gebiet Joseph von
Fraunhofers, der bereits vor 200 Jahren Produktions- und Bearbeitungstechniken für optische Gläser entscheidend voranbrachte.
gepulster Beleuchtung entstehen dabei akustische Wellen,
ABSORPTIONSLINIEN im Son-
die mithilfe eines Piezosensors detektiert werden. Aus der
nenspektrum gelang Joseph
Amplitude der Schallwellen lässt sich der Absorptionskoeffi-
von Fraunhofer vor allem dank
NICHTLINEARE OPTIK
hand der thermischen Ausdehnung des Materials nach. Bei
verbesserter Qualität der von
ihm genutzten Glasprismen.
zient ableiten. Ein von den Wissenschaftlern neu entwickeltes photoakustisches Spektrometer misst erstmalig Absorptionsspektren in 1 mm dicken Proben über den gesamten
Wellenlängenbereich von 212 bis 2 500 nm mit Nachweisgrenzen bis 10 –5 cm –1. Photoakustische Messungen eignen
sich besonders für Materialien mit großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Mit der »Photothermal commonpath interferometry« (PCI) wurde ein alternatives Messverfahren weiterentwickelt, das sich vor allem für Materialien
mit hohen thermooptischen Koeffizienten eignet. Die bei
Einstrahlung durch Absorption erzeugte lokale Erwärmung
bildet eine »thermische Linse«. Ein Abfragestrahl nimmt diese als Inhomogenität wahr. Abgebildet auf einer Photodiode
gibt die Selbstinterferenz des Abfragestrahls Auskunft über
die absorbierte Lichtleistung. Das für einzelne Wellenlängen
bereits bei Glas- und Kristallherstellern etablierte Verfah-
Dass Glasfasern Lichtpulse über weite Strecken übertragen
Genau, reproduzierbar und zerstörungsfrei
ren wurde von den Wissenschaftlern erstmals mit einer
können, hielt man lange für ausgeschlossen, denn Verunreini-
Für die Entwicklung optischer Materialien ist es daher ent-
durchstimmbaren Lichtquelle kombiniert, um Spektren der
gungen im Material absorbierten einen wesentlichen Teil des
scheidend, den Absorptionskoeffizienten eines Materials zu
Restabsorption im Nah- und Mittelinfrarot aufzunehmen.
Lichts. Erst als es gelang, deutlich transparentere Glasfasern
kennen. Hersteller optischer Materialien und Beschichtungen
herzustellen, wurde auch die verlustarme Datenübertragung
benötigen Messverfahren, um Volumen- und Oberflächen-
Die Messung über große Wellenlängenbereiche gibt Auf-
möglich. Heute stellt sich die Frage der Reinheit auch für
absorption zu bestimmen. Die Messergebnisse sollten sehr
schluss über Ursachen unterschiedlicher Absorptionsbanden
kurze optische Komponenten, denn immer leistungsstärkere
genau und reproduzierbar sein; die Messtechnik im Idealfall
wie etwa Verunreinigungen. Zudem bietet es neue Möglich-
Laserquellen stellen immer höhere Anforderungen an die
berührungslos, zumindest aber zerstörungsfrei. Nur so lassen
keiten der Absolutkalibrierung beider Verfahren. Untersucht
Qualität der optischen Bauteile. Dabei spielt – im Unterschied
sich Fertigungsprozesse optimieren.
wurden gängige optische Materialien wie Lithiumtriborat,
zu Glasfasern – weniger die Abschwächung der Lichtleistung
Lithiumniobat, Alpha-Bariumborat und Kalziumfluorid.
eine Rolle, denn diese ist angesichts vergleichsweise kleiner
Transmissionsspektrometer, die üblicherweise zur Messung
Bauteile gering. Problematisch hingegen sind die thermischen
von Absorption genutzt werden, sind für die geringen Ab-
Im Rahmen einer Vergleichsstudie konnten die Wissen-
Auswirkungen: Das absorbierte Licht wird nahezu vollständig
sorptionskoeffizienten optischer Materialien nicht empfindlich
schaftler die Zuverlässigkeit der photoakustischen und
in Wärme umgewandelt. Mit der Temperatur ändert sich
genug. Zur Bestimmung von Restabsorption in optischen Ma-
der photothermischen Methode bei der Bestimmung von
punktuell der Brechungsindex des Materials und mit ihm die
terialien werden daher vor allem hochempfindliche indirekte
Restabsorption in transparenten optischen Materialien va-
optischen Eigenschaften. Solche thermooptischen Effekte
Messverfahren genutzt, die die Erwärmung der Probe durch
lidieren. Ihre hohe Empfindlichkeit von weniger als 10 ppm
können zu unerwünschten Schwankungen von Laserleistun-
die absorbierte Energie zum Nachweis nutzen.
pro cm machen sie zu einem wertvollen Werkzeug für die
gen führen oder, etwa beim Laserschweißen, zur Verschie-
Qualitätskontrolle und zur Verbesserung von Materialien,
bung der Fokusposition. Nicht selten kann dabei die optische
Komponenten und Lichtquellen.
Komponente selbst Schaden nehmen.
2
50
Dr. Frank Kühnemann, Telefon +49 761 8857-457, [email protected]
F U N K T I O N E L L E M AT E R I A L I E N U N D S Y S T E M E
ABWÄRME IN STROM UMWANDELN –
daran arbeiten weltweit viele Forscher mit
Hochdruck. Diese Form des »Energy Harvesting« bietet sich bei vielen Verbrennungsprozessen geradezu an. Voraussetzung dafür
THERMOELEKTRIK
Thermoelektrische Generatoren
im Blockheizkraftwerk
Blockheizkraftwerke spielen eine bedeutende Rolle in der Energiewende. Sie
arbeiten effizienter als konventionelle Kraftwerke. Fraunhofer IPM entwickelt
neuartige thermoelektrische Generatoren, die die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit eines Blockheizkraftwerks noch weiter erhöhen.
sind effiziente thermoelektrische Materialien und optimierte Fertigungsprozesse.
Das Ernten von Abwärme mithilfe thermoelektrischer Generatoren ist eines von vielen spannenden Forschungsfeldern
der Thermoelektrik – sei es in Kraftwerken, Industrieprozessen oder im Automobil. Die dafür eigens entwickelten
thermoelektrischen Generatoren basieren auf Materialien,
die Wärmeströme zwischen einer warmen und einer kalten
Seite in elektrische Ströme umwandeln. Im Gegensatz zu
vielen anderen Umwandlungsmechanismen benötigen TEG
keine beweglichen Bauteile – sie arbeiten geräuschlos und
wartungsfrei. Darüber hinaus sind sie extrem langlebig, was
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind deshalb so vielverspre-
wasser erwärmen konnten, sind die in den Wärmetauscher
chend, weil sie bereits sehr effizient mit Energie umgehen:
integrierten neu entwickelten TEG in der Lage, einen Teil des
Sie produzieren gleichzeitig Strom und Wärme. Neben der
Wärmestroms des Abgases direkt in nutzbaren elektrischen
Kostengünstig und effizient
Erzeugung von elektrischem Strom ist ein BHKW dank der
Strom umzuwandeln.
Die meisten der bisher auf dem Markt erhältlichen Gene-
sie im wahrsten Sinne des Wortes nachhaltig macht.
ratoren eignen sich nur für den Einsatz bei Temperaturen
Kraft-Wärme-Kopplung zusätzlich in der Lage, die anfallende
Abwärme zu nutzen. Diese bleibt bisher bei konventionellen
Thermoelektrik: Hightech für den Umweltschutz
von bis zu 200 °C. Fraunhofer IPM hat nun erstmals Module
Kraftwerken weitgehend ungenutzt.
Durch die zusätzliche Stromerzeugung wird der elektrische
entwickelt, die auch bei Temperaturen von bis zu 550 °C
Wirkungsgrad eines BHKWs deutlich gesteigert, und zwar
zuverlässig arbeiten. Außerdem gelang es den Experten, den
Jedoch, das geht noch besser: Fraunhofer IPM, weltweit
momentan um bis zu 3 Prozent. Dieses Plus an Energie-
Materialeinsatz bei der Herstellung dieser Module bei glei-
führend auf dem Gebiet der Thermoelektrik, wird nun
effizienz ist von großer Bedeutung für den wirtschaftlichen
cher Leistung um rund die Hälfte zu reduzieren. Die Module
erstmals neuartige thermoelektrische Generatoren (TEG) in
Betrieb eines Blockheizkraftwerks: Je höher der Anteil der
werden dadurch deutlich leichter, günstiger und attraktiver
den Wärmetauscher eines BHKWs integrieren, die dessen
erzeugten elektrischen Energie, desto länger die Jahreslauf-
für den industriellen Einsatz. So arbeitet Fraunhofer IPM
Wirtschaftlichkeit und die Stromausbeute deutlich steigern
zeiten des Kraftwerks und somit auch dessen Beitrag zum
zurzeit mit Industriepartnern an der Industrialisierung dieser
können. Während herkömmliche BHKW bisher nur Brauch-
Umwelt- und Klimaschutz.
vielversprechenden Technologie.
1
52
1 Fraunhofer IPM entwickelt thermoelektrische Gene-
2 Die Wirtschaftlichkeit eines Blockheizkraft-
ratoren, die auch bei Temperaturen von bis zu 550 °C
werks kann durch den Einsatz thermoelektri-
noch sicher und zuverlässig arbeiten.
Dr. Jan D. König, Telefon +49 761 8857-329, [email protected]
scher Generatoren deutlich gesteigert werden.
2
53
DIE FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT
F R A U N H O F E R - S TA N D O RT E I A D R E S S E N
Fraunhofer IPM
Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunho-
Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunho-
fer-Gesellschaft. Die 1949 gegründete Forschungsorganisa-
fer-Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persön-
tion betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen
lichen Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren
Freiburg
der Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspart-
Instituten, an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft.
Fraunhofer-Institut für
ner und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsun-
Studierenden eröffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbil-
Physikalische Messtechnik IPM
ternehmen sowie die öffentliche Hand.
dung und Erfahrung an Fraunhofer-Instituten hervorragende
Heidenhofstraße 8
Einstiegs- und Entwicklungschancen in Unternehmen.
79100 Freiburg
Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit
Telefon +49 761 8857-0
66 Institute und Forschungseinrichtungen. Knapp 24 000 Mit-
Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer-
Fax
arbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder
Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunho-
[email protected]
ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jähr-
fer (1787–1826). Er war als Forscher, Erfinder und Unterneh-
liche Forschungsvolumen von mehr als 2 Milliarden Euro. Da-
mer gleichermaßen erfolgreich.
von fallen rund 1,7 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich
Vertragsforschung. Über 70 Prozent dieses Leistungsbereichs
+49 761 8857-224
Kaiserslautern
Fraunhofer-Institut für
www.fraunhofer.de
Physikalische Messtechnik IPM
erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus
Abteilung Materialcharakterisierung
der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungspro-
und -prüfung
jekten. Knapp 30 Prozent werden von Bund und Ländern als
Fraunhofer-Platz 1
Grundfinanzierung beigesteuert, damit die Institute Problem-
67663 Kaiserslautern
lösungen entwickeln können, die erst in fünf oder zehn
Telefon +49 631 2057 40-00
Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden.
Fax
+49 631 2057 40-03
[email protected]
Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungspartnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen für
www.fraunhofer.de
einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwärtigen
und zukünftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen.
Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung
und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale
Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die
Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten
Nutzen für die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbewerbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei. Sie
fördern Innovationen, stärken die technologische Leistungsfähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und
sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend benötigten
wissenschaftlich-technischen Nachwuchses.
54
55
PA RT N E R I N E T Z W E R K E
Partner und Netzwerke
Deutschland
Wir engagieren uns in Verbänden, Fachorganisationen und
AMA Fachverband für Sensorik
Netzwerken – fraunhoferweit, deutschlandweit und interna-
Arbeitskreis Prozessanalytik der GDCh und DECHEMA
tional.
Biovalley Deutschland e.V.
BBA-BW Brennstoffzellen- und Batterie-Allianz
Fraunhofer-Gesellschaft
Baden-Württemberg
Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces
CAST e.V. – Competence Center for Applied Security
Fraunhofer-Allianz Energie
Cluster Bahntechnik e.V.
Fraunhofer-Allianz Food Chain Management
DGZfP – Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie
Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik
Prüfung
Fraunhofer-Allianz Verkehr
DPG – Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Allianz Vision
DTG – Deutsche Thermoelektrik Gesellschaft e.V.
DTZ – Deutsches Terahertz-Zentrum e.V.
FAIM - Forum Angewandte Informatik und Mikrosystemtechnik e.V.
GDCh – Gesellschaft Deutscher Chemiker
Green City Freiburg Regional Cluster
MST BW – Mikrosystemtechnik BW
Netzwerkdraht e.V.
Optence e.V.
Photonics BW
SPECTARIS – Deutscher Industrieverband für optische,
medizinische und mechatronische Technologien e.V.
VDI/VDE – GMA Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik
VDMA – Photovoltaik-Produktionsmittel; E-Batterie
VDSI – Verband für Sicherheit, Gesundheit und Umweltschutz bei der Arbeit e.V.
International
AAAS – American Association for the Advancement
of Science
ACS – American Chemical Society
ETS – European Thermoelectric Society
ITS – International Thermoelectric Society
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
LIA – Laser Institute of America
MRS – Material Research Society
OSA – Optical Society of America
SPIE – International Society for Optics and Photonics
56
57
P U B L I K AT I O N E N 2 0 1 4
Fratz, Markus; Weimann, Claudius;
Kneer, J.; Eberhardt, A.; Walden, P.;
VIII: Advanced applications in industry
Rademacher, Sven; Wöllenstein, Jürgen
Quantum Sensing and Nanophotonic
Huber, Jochen; Rademacher, Sven;
Wölfelschneider, Harald; Koos, Christian;
Perez, A.O.; Wöllenstein, J.; Palzer, S.
and defense, Paper 91020C, 10 (2014)
Energy self-sufficient sensor nodes
Devices XI , Paper 899322 (2014)
Wöllenstein, Jürgen; Eberhardt, André
Höfler, Heinrich
Apparatus to characterize gas sensor
Absolutely referenced distance mea-
response under real-world condi-
Kießling, Jens; Buse, Karsten; Vodopya-
dous substances in case of disaster
Beckmann, Tobias; Fratz, Markus; Bertz,
CO2-Gasmesssystem für die Raumluft-
surement by combination of time-
tions in the lab
nov, Konstantin L.; Breunig, Ingo
Smart SysTech 2014, European Confe-
Alexander; Carl, Daniel
überwachung
of-flight and digital holographic
Review of scientific instruments 85 (5),
Continuous-wave optical parametric
rence on Smart Objects, Systems and
High-speed deformation measure-
Sensoren und Messsysteme 2014.
methods
055006 (2014)
source for terahertz waves tunable
Technologies. CD-ROM, 4 (2014)
ment using spatially phase-shifted
CD-ROM , 5 (2014)
for the detection of gaseous hazar-
speckle interferometry
from 1 to 4.5 THz frequency
Photonic instrumentation engineering,
Miniaturisiertes photoakustisches
Kemmler, Manuel; Sauer, Ursula; Schlei-
Nonlinear Frequency Generation and
Janssen, S.; Schmitt, K.; Blanke, M.; Bau-
Practical Holography XXVIII. Materials
Ortiz Perez, Alvaro; Eberhardt, André;
cher, Erwin; Preininger, Claudia; Bran-
Conversion. Materials, Devices, and Ap-
ersfeld, M.L.; Wöllenstein, J.; Lang, W.
and Applications, Paper 90060E
Walden, Paul; Kneer, Janosch; Wöllen-
Buehler-Paschen, Silke; Pereira Gon-
denburg, Albrecht
plications XIII , Paper 896408 (2014)
Ethylene detection in fruit supply
(2014)
stein, Jürgen; Palzer, Stefan
calves, Antonio; Populoh, Sascha; König,
Biochip point-of-care device for
Jan
sepsis diagnostics
Salvador, J.R.; Cho, J.Y.; Ye, Z.; Moczy-
Philosophical Transactions of the Royal
Rademacher, Sven; Peter, Carolin; Knop,
detection
Advanced thermoelectrics: From
Sensors and Actuators. B 192, 205
gemba, J.E.; Thompson, A.J.; Sharp,
Society of London. Series A 372 (2017),
Daniel; Wöllenstein, Jürgen; Eberhardt,
Sensoren und Messsysteme 2014. CD-
materials to devices
(2014)
J.W.; Koenig, J.D.; Maloney, R.; Thomp-
Art. 20130311 (2014)
André
ROM, 5 (2014)
Paper 89920O (2014)
Physica status solidi. A 211 (6), 1227
chains
Mobile artificial nose for bad odor
Kostengünstiges Gassensorarray
son, T.; Sakamoto, J.; Wang, H.; WeresLambrecht, Armin; Pfeifer, Marcel; Konz,
zczak, A.A.
Busch, Sebastian; Ketterer, Manuel;
zum selektiven Nachweis von
Breunig, Ingo; Bückle, Anni; Werner,
Werner; Herbst, Johannes; Axtmann,
Conversion efficiency of skutteru-
Vinzenz, Xenia; Hoffmann, Christian;
Spurengasen für low-power
Christoph S.; Buse, Karsten
Ospald, F.; Zouaghi, W.; Beigang, R.; Ma-
Felix
dite-based thermoelectric modules
Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen
Anwendungen
Non-Lorentzian pump resonances in
theis, C.; Jonuscheit, J.; Recur, B.; Guillet,
Broadband spectroscopy with exter-
Physical chemistry, chemical physics :
Evaluation of bioinspired functional
Sensoren und Messsysteme 2014.
whispering gallery optical parametric
J.-P.; Mounaix, P.; Vleugels, W.; Bosom,
nal cavity quantum cascade lasers
PCCP 16 (24), 12510 (2014)
surfaces for nanoparticle filtering
CD-ROM, 5 (2014)
oscillators
P.; Gonzalez, L.; Lopez, I.; Martinez, R.;
beyond conventional absorption
Sternberg, Y.; Vandewal, M.
measurements
Wang, Hsin; McCarty, Robin; Salvador,
Aeronautics composite material in-
Analyst 139 (9), 2070 (2014)
James R.; Yamamoto, Atsushi; König, Jan
Saleemi, M.; Ruditskiy, A.; Toprak,
Magnetotransport in atomic-size
(2014)
pection with a terahertz time-domain
Microsystem Technologies 20 (4-5), 919 (2014)
Laser Resonators, Microresonators, and
Pernau, H.F.; Pietsch, T.; Scheer, E.
Beam Control XVI, Paper 896007 (2014)
Determination of thermoelectric
M.S.; Stingaciu, M.; Johnsson, M.;
bismuth contacts
Cristofani, Edison; Friederich, Fabian;
spectroscopy system
Beigang, Renè; Biedron, Sandra; Dyjak,
module efficiency: A survey
Kretzschmar, I.; Jacquot, A.; Jägle, M.;
Journal of Physics. Condensed Matter
Wohnsiedler, Sabine; Matheis, Carsten;
Optical engineering 53 (3), Art. 031208,
Slawomir; Ellrich, Frank; Haakestad,
Journal of Electronic Materials 43 (6),
Muhammed, M.
26 (47), Art.474203, 10 (2014)
Jonuscheit, Joachim; Vandewal, Marijke;
15 (2014)
Magnus; Hübsch, Daniel; Kartaloglu,
2274 (2014)
Evaluation of the structure and
Beigang, René
transport properties of nanostruc-
Ioannidou, A.A.; Rull, M.; Martin-
Nondestructive testing potential
Kneer, Janosch; Boxberg, Manuel;
Palka, Norbert; Puc, Uros; Czerwi ska,
Metzger, Bernd; Hentschel, Mario; Schu-
tured antimony telluride (Sb2Te3)
Gonzalez, M.; Moure, A.; Jacquot,
evaluation of a terahertz frequency-
Busch, Sebastian; Eberhardt, André;
El bieta; Sahin, Asaf B.; Sesek, Alek-
macher, Thorsten; Lippitz, Markus; Ye,
Journal of Electronic Materials 43 (6),
A.; Niarchos, D.
modulated continuous-wave imager
Palzer, Stefan; Wöllenstein, Jürgen
sander; Trontelj, Janez; Švigelj, Andrej;
Xingchen; Murrax, Christopher B.; Knabe,
1927 (2014)
Microwave synthesis and
for composite materials inspection
Alterations in the complex refractive
Altan, Hakan; Rheenen, Arthur D. van;
Bastian; Buse, Karsten; Giessen, Harald
characterization of the series
Optical engineering 53 (3), Art. 031211 (2014)
index of copper oxide thin films as
Walczakowski, Michal
Doubling the efficiency of third
Herbst, Johannes; Brunner, Raimund;
Co (1-x )Fe(x)Sb(3) high
sensing effect for hydrogen sulfide
Comparison of terahertz technolo-
harmonic generation by positioning
Lambrecht, Armin
temperature thermoelectric
Fratz, Markus; Carl, Daniel
monitoring
gies for detection and identification
ITO nanocrystals into the hot-spot of
Fast automotive diesel exhaust
materials
Novel industry ready sensors for
Microsystem Technologies 20 (4-5), 607
of explosives
plasmonic gap-antennas
measurement using quantum
Journal of Electronic Materials 43 (7),
shape measurement based on multi
(2014)
Terahertz physics, devices, and systems
Nano Letters 14 (5), 2867 (2014)
cascade lasers
2637 (2014)
wavelength digital holography
Tolga; Ozbay, Ekmel; Ospald, Frank;
58
59
P U B L I K AT I O N E N 2 0 1 4
DOKTORARBEITEN 2014
Fringe 2013, 7th International Workshop
Fieberg, Stephan; Waasem, Niklas; Küh-
Solar physics 289 (5), 1863 (2014)
Czugala, M.; O‘Connell, C.; Blin, C.;
Philosophical Transactions of the Royal
on Advanced Optical Imaging and Met-
nemann, Frank; Buse, Karsten
Thuillier, G.; Bolsée, D.; Schmidt-
Fischer, P.; Fraser, K.J.; Benito-Lopez, F.;
Society of London. Series A 372 (2017),
rology , 479 (2014)
Sensitive absorption measurements
ke, G.; Foujols, T.; Nikutowski, B.;
Diamond, D.
Art. 20130312, 13 (2014)
in bulk material and coatings using
Shapiro, A. I.; Brunner, R.; Weber,
Swelling and shrinking behaviour
Jetter, Volker; Gutscher, Simon; Blug,
a photothermal and a photoacoustic
M.; Erhardt, C.; Hersé, M.; Gillotay,
of photoresponsive phosphonium-
Steiert, Matthias; Zeiser, Roderich;
Andreas; Knorz, Annerose; Ahrbeck,
spectrometer
D.; Peetermans, W.; Decuyper, W.;
based ionogel microstructures
Berndt, Michael; Wilde, Jürgen; Beck-
Christopher; Nekarda, Jan; Carl, Daniel
Nonlinear Frequency Generation and
Pereira, N.; Haberreiter, M.; Mandel,
Sensors and Actuators. B 194,
mann, Tobias; Fratz, Markus
Fieberg, Stephan
Optimizing process time of laser
Conversion. Materials, Devices, and Ap-
H.; Schmutz, W.
105 (2014)
Verformungsmessung an elektroni-
Analyse thermooptischer Effekte zur
drilling processes in solar cell manu-
plications XIII, Paper 896410, 7 (2014)
The solar irradiance spectrum
schen Bauteilen und Baugruppen
Absorptionsmessung
facturing by coaxial camera control
Pfeifer, Marcel
Novel approaches to optical activity
at solar activity minimum
Hansen, A.-L.; Dankwort, T.; Winkler, M.;
mit Grauwertkorrelation und
Laser Applications in Microelectronic and
Rademacher, Sven; Huber, Jochen;
between solar cycles 23 and 24
Ditto, J.; Johnson, D.C.; Koenig, J. D.;
Holografie
Optoelectronic Manufacturing, LAMOM
Wöllenstein, Jürgen
Solar physics 289 (6), 1931 (2014)
Bartholome, K.; Kienle, L.; Bensch, W.
Elektronische Baugruppen und Leiter-
XIX, Paper 896715 (2014)
Sensorknoten zur Erfassung von
Synthesis and Thermal Instability
platten, EBL 2014 , 159 (2014)
measurements
ERTEILTE PATENTE 2014
gasförmigen Gefahrenstoffen im
Thuillier, G.; Schmidtke, G.; Erhardt,
of High-Quality Bi2Te3/Sb2Te3
Rüther, Anja; Pfeifer, Marcel; Lórenz-
Katastrophenfall
C.; Nikutowski, B.; Shapiro, AI.;
Super lattice Thin Film Thermo-
Breunig, Ingo; Buse, Karsten
Uwe
Fonfría, Víctor A.; Lüdeke, Steffen
Sensoren und Messsysteme 2014.
Bolduc, C.; Lean, J.; Krivova, N.;
electrics
Whispering gallery optical para-
Verfahren zur Herstellung eines
pH titration monitored by quantum
CD-ROM , 5 (2014)
Charbonneau, P.; Cessateur, G.;
Chemistry of materials 26 (22), 6518
metric oscillators
thermoelektrischen Bauelements
Haberreiter, M.; Melo, S.; Delouille, V.;
(2014)
Quantum Sensing and Nanophotonic
und thermoelektrisches Bauelement
cascade laser-based vibrational circu-
König, Jan; Matheis, Carsten; Vetter,
lar dichroism
Kuntze, Helge-Björn; Frey, Christian
Mampaey, B.; Yeo, KL.; Schmutz, W.
Journal of physical chemistry. B 118 (14),
W.; Emter, Thomas; Petereit, Janko;
Solar Spectral Irradiance Variabili-
Bartholomé, Kilian; Balke, Benjamin; Zucker-
Blug, Andreas
3941 (2014)
Tchouchenkov, Igor; Müller, Thomas; Tittel,
ty in November/December 2012:
mann, Daniel; Köhne, Martin; Müller,
Verfahren zur Herstellung einer
Martin; Worst, Rainer; Pfeiffer, Kai; Walter,
Comparison of Observations by
Michael; Tarantik, Karina; König, Jan
Fügeverbindung und Vorrichtung
Reiterer, Alexander; Höfler, Heinrich;
Moriz; Rademacher, Sven; Müller, Fabian
Instruments on the International
Thermoelectric modules based on
Wölfelschneider, Harald; Baulig, Claudia;
Situation responsive networking of
Space Station and Models
Half-Heusler materials produced in
Brandenburg, Albrecht
Maindorfer, Ingo; Dimopoulos, Nikolaos;
mobile robots for disaster management
Solar physics 289 (12), 4433 (2014)
large quantities
Vorrichtung zur optischen Detektion
Schwarzer, Stefan; Dambacher, Martin
ISR/Robotik 2014, Joint Conference
Journal of Electronic Materials 43 (6),
von Substanzen in einem flüssigen
Railway measurement techniques:
of 45th International Symposium on
Fieberg, Stephan; Sturman, Boris;
1775 (2014)
oder gasförmigen Medium
Opportunities and challenges
Robotics and 8th German Conference
Kühnemann, Frank; Buse, Karsten
Second International Conference on Rail-
on Robotics. Proceedings. CD-ROM ,
Strong polarization effects in
Renner, M.; Freymann, G. von
Ellrich, Frank
way Technology: Research, Development
313 (2014)
photothermal common-path
Transverse mode localization in
Kollimator für elektromagnetische
interferometry
three-dimensional deterministic ape-
Hochfrequenzstrahlung
Optics Letters 39 (13), 3880 (2014)
riodic structures
Schmitt, Katrin; Hoffmann, Christian
Advanced optical materials 2 (3), 226 (2014)
Transdermales therapeutisches System
and Maintenance 2014. Proceedings,
Paper 86 (2014)
Schmidtke, G.; Nikutowski, B.; Jacobi,
C.; Brunner, R.; Erhardt, C.; Knecht, S.;
Devices XI , Paper 89930B (2014)
Rüther, A.; Pfeifer, M.; Lórenz-fonfría,
Scherle, J.; Schlagenhauf, J.
Kneer, J.; Woellenstein, J.; Palzer, S.
V.A.; Lüdeke, S.
Solar EUV irradiance measure-
Specific, trace gas induced phase
Janssen, S.; Pankoke, I.; Klus, K.;
Schmitt, Katrin; Hoffmann, Christian
Reaction monitoring using mid-inf-
ments by the auto-calibrating
transition in copper(II) oxide for
Schmitt, K.; Stephan, U.; Wöllenstein, J.
Transdermales therapeutisches
rared laser-based vibrational circular
EUV spectrometers (SolACES)
highly selective gas sensing
Two underestimated threats in
System
dichroism
aboard the International Space
Applied physics letters 105 (7),
food transportation: Mould and
Chirality 26 (9), 490 (2014)
Station (ISS)
073509 (2014)
acceleration
60
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M E S S E N I V E R A N S TA LT U N G E N
Workshop: Gastechnologie in der Energiewende
Das Thema Strom bestimmt die öffentliche Debatte
in der Energiewende; die Bedeutung des Gasmarkts
Messe-Demonstrator für
Energy Hannover Messe:
für die Energiepolitik wird hingegen systematisch
flexible Messtechnik.
Stand der Fraunhofer-
unterschätzt. Diese Ansicht vertraten Gastechnologie-
Allianz Energie.
Expertinnen und -Experten auf einem Workshop, den
Fraunhofer IPM am 26. Juni 2014 veranstaltete.
Einig war sich die »Community«, dass die technischen
Möglichkeiten der vorhandenen Gasinfrastruktur für
die Energiewende nicht annähernd ausgeschöpft
MESSEN
sind. Die Experten plädierten dafür, die Strom- und
Control 2014
Parts2Clean
Gasinfrastruktur besser zu vernetzen. Technologien
wie »Power-to-Gas«, bei denen überschüssiger Strom
28. Control – Internationale Fachmesse
12. Internationale Leitmesse für industrielle
SPIE Photonics West 2014
für Qualitätssicherung
Teile- und Oberflächenreinigung
Laser, Photonics, Biomedical Optics Conference
Stuttgart 06. – 09.05.2014
Stuttgart 24. – 26.06.2014
and Exhibition
Stand der Fraunhofer-Allianz Vision
Stand der Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik
San Francisco, USA 04. – 06.02.2014
Präsentiert wurden Inline-Systeme zur Mikro-Deformations-
Ausgestellt wurde ein Messgerät zur Bestimmung von
Auf dem Stand der Firma Hübner wurden die Systeme
messung, zur Drahtinspektion, zur Detektion großflächiger
Restverschmutzungen auf großen Bauteilen mittels bild-
»C-Wave« und »T-Cognition« präsentiert, die jeweils
Restverschmutzungen sowie zur Schichtdickenmessung mit-
gebender Fluoreszenzmesstechnik.
mit einem »Prism Award« ausgezeichnet wurden.
tels Terahertz-Wellen.
Wire 2014
E-MRS Spring Meeting
InnoTrans 2014
Internationale Fachmesse Draht und Kabel
der European Materials Research Society
Internationale Fachmesse für Verkehrstechnik,
in Gas umgewandelt wird, ermöglichen es, Erzeu-
Düsseldorf 07. – 11.04.2014
Lille, Frankreich 27. – 29.05.2014
Innovative Komponenten, Fahrzeuge, Systeme
gung und Nutzung von Energie zeitlich und örtlich zu
Gemeinschaftsstand Netzwerk-Draht
Stand der Quick-Ohm GmbH
Berlin 3. – 26.09.2014
entkoppeln.
Auf der Fachmesse für Draht und Kabel stellte Fraun-
Quick-Ohm GmbH und Fraunhofer IPM präsentierten
Stand der Fraunhofer-Allianz Verkehr
»Die technologischen Möglichkeiten, Gas stärker
hofer IPM das Inspektionssystem WIRE-AOI vor, das
schlüsselfertige Messsysteme für Bulk- und Dünn-
Fraunhofer IPM präsentierte die neuesten Entwicklun-
für die Energiewende einzusetzen, sind noch lange
Drahtoberflächen bei Geschwindigkeiten von bis zu
schichtmaterialien.
gen in der Bahnmesstechnik – den Rail Track Scanner
nicht ausgereizt«, stellte Institutsleiter Karsten Buse
RTS und den Sector Profile Scanner SPS.
fest und forderte Investitionen in Innovationen statt
10 m/s vollständig inspiziert und dabei Fehler in
Echtzeit detektiert.
SENSOR+TEST 2014
Subventionen im Energiesektor. »Die Gasindustrie
Messtechnik-Messe
darf nicht länger Spielball der Kräfte sein. Sie muss die
Energy Hannover Messe 2014
Nürnberg 03. – 05.06.2014
Innovationen aktiv vorantreiben«. Dies muss die Poli-
Internationale Leitmesse der erneuerbaren und
Stand der Fraunhofer-Gesellschaft
tik durch ausreichende Forschungsmittel unterstützen,
konventionellen Energieerzeugung, Energiever-
Vorgestellt wurde eine folienbasierte Sensoranordnung mit
so die Forderung der Experten, die ihre Erkenntnisse
sorgung, -übertragung, -verteilung und
einem Mess-Stempelsystem zur Messung thermischer und
schließlich in einem Positionspapier für die Politik
-speicherung
elektrischer Materialeigenschaften.
dargelegt haben.
Hannover 07. – 11.04.2014
Stand der Fraunhofer-Allianz Energie
Lasys 2014
Fraunhofer IPM präsentierte verschiedene Systeme zur
Internationale Fachmesse für Systemlösungen
Steigerung der Energieeffizienz in Verbrennungsprozes-
in der Laser-Metallbearbeitung
sen, darunter Gasmesstechnik zur Optimierung von
Stuttgart 24. – 26.06.2014
Motoren in der Entwicklungsphase, intelligente Gas-
Stand von Photonics BW
sensoren und thermoelektrische Generatoren zur Ver-
Präsentiert wurde ein System zur Optimierung der Naht-
stromung von Abwärme.
qualität in Laserschweißprozessen durch Echtzeit-Regelung.
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Auf der InnoTrans
2014 konnten sich
Besucher von der
Präzision der Laserscanner überzeugen.
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M E S S E N I V E R A N S TA LT U N G E N
Die Welt in 3D: Workshop zum Thema
mobile Objekterfassung
In Workshops identifizieren wir gemeinsam mit
Branchenkennern neue
Forschungsthemen.
VERANSTALTUNGEN
Workshop »Laserbasierte Prozessanalytik«
Freiburg, Fraunhofer IPM, 25. – 26.09.2014
Mehr als 100 Teilneh-
Expertenworkshop – Zertifizierung mobiler
Einführung in die Grundlagen der optischen Prozess
merinnen und Teilnehmer
Erfassungssysteme von 3D-Daten
analytik – laserbasierte Messverfahren für die Online-
Freiburg, Fraunhofer IPM, 05.02.2014
und Inline-Analytik.
Angewandte Forschung für Verteidigung und
Deutscher Straßen- und Verkehrskongress 2014
ber 2014 veranstaltete. Damit ist es aus dem Stand
Sicherheit in Deutschland
Fachausstellung Straßen und Verkehr
gelungen, die Mobile-Laserscanning-Community
Berlin, 03. – 05.02.2014
Stuttgart 30.09. – 02.10.2014
für ein Workshop-Konzept zu begeistern, das die
Vortrag und Poster über Angewandte Forschung für
Fraunhofer IPM war hier mit dem Pavement Profile
Technologie der mobilen 3D-Erfassung von Objekten
Sicherheit am Beispiel Gefahrstoffdetektion. Post-
Scanner vertreten. Dieser Scanner erzeugt 3D-Bilder der
in den Mittelpunkt stellt. Vortragende verschiedener
eingangskontrolle mit Terahertz-Wellen, z. B. in Justiz-
Fahrbahnoberfläche mit bislang unerreichter Präzision.
europäischer Universitäten, Forschungseinrichtun-
aus 14 Ländern kamen
zum »MoLaS – Technology Workshop Mobile Laser
Scanning«, den Fraunhofer IPM erstmalig im Novem-
vollzugsanstalten; ortsaufgelöste Messung gasförmiger
Gefahrstoffe und Brandgase z. B. im Katastrophenfall.
gen und Firmen stellten technologische Trends beim
International Student Conference on Micro
mobilen Laserscanning vor. Das Programm umfasste
Technology 2014
vier Sessions mit den Themen Sensorik, Kalibration,
6th International Workshop on Terahertz
Industrie-Ausstellung und Kontaktbörse für Studierende
Datenverarbeitung und Anwendungen. Auch sehr
Technology and Applications
der Ingenieur- und Naturwissenschaften und junge
konkrete Ansätze waren dabei: Beispielsweise ein
Kaiserslautern, Fraunhofer IPM, 11. – 2.03.2014
DoktorandenFreiburg, IMTEK, 06. – 10.10.2014
rucksackgetragener Laserscanner, der Messungen
Beim »International Workshop on Terahertz Technology
auch in unwegsamem Gelände ermöglicht. In den
and Applications« standen unter anderem die Anwen-
Wissenschaftscampus 2014
Pausen boten eine Postersession und eine Industrie-
dung von Quantenkaskadenlasern (QCL) und die Met-
Das Sprungbrett für Frauen in die Forschung.
ausstellung Gelegenheit zu Gesprächen unter Exper-
rologie im Mittelpunkt.
Fachtag »Science to Business«
ten. MoLaS wird zukünftig im Zweijahresrhythmus
Freiburg, Fraunhofer IPM, 06. – 09.10.2014
am Fraunhofer IPM abgehalten.
Girls’ Day
www.molas-workshop.org
Freiburg, Fraunhofer IPM, 27.03.2014
MoLaS 2014
Fraunhofer-Jahrestagung
Freiburg, Fraunhofer IPM, 26. – 27.11.2014
Technology Workshop Mobile Laser Scanning
Institutsvorstellung und -führung für Interessierte
Freiburg, Fraunhofer IPM, 22.05.2014
4. IAV-Tagung Thermoelektrik
Abwärmenutzung in Verkehr und Industrie
Workshop »Gas-Technologie in der Energie-
Ellington Hotel Berlin 10. – 12.12.2014
wende«, Forschungs- und Entwicklungspotenziale
Freiburg, Fraunhofer IPM, 26.06.2014
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ADRESSEN I IMPRESSUM
Fraunhofer IPM
Anschrift der Redaktion
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Freiburg
Presse und Öffentlichkeitsarbeit
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Holger Kock
Heidenhofstraße 8
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79100 Freiburg
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Redaktion
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Holger Kock, Iris Erbach, Anja Strobel, Isabell Wiedle
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Abteilung Materialcharakterisierung und- prüfung
Gestaltung
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